片烟装箱翻包机翻转体控制及液压系统的改进

王德吉，王志国，谢 建，刘俊峰

1.中国烟草总公司职工进修学院，郑州市鑫苑路7号 450008

2.河南中烟工业有限责任公司南阳卷烟厂，河南省南阳市新华东路6号 473000

3.河南中烟工业有限责任公司黄金叶制造中心制丝车间，郑州经济技术开发区第三大街9号 450016

片烟装箱翻包机翻转体控制及液压系统的改进

王德吉1，王志国2，谢 建3，刘俊峰3

1.中国烟草总公司职工进修学院，郑州市鑫苑路7号 450008

2.河南中烟工业有限责任公司南阳卷烟厂，河南省南阳市新华东路6号 473000

3.河南中烟工业有限责任公司黄金叶制造中心制丝车间，郑州经济技术开发区第三大街9号 450016

为解决片烟装箱翻包机在翻包过程中，翻转体出现抖动，且液压油温及驱动电机机壳温度偏高等问题，采用基于先验知识的LS-SVM(Least Squares Support Vector Machines)理论，对皮带输送机定位方式进行了优化。利用PLC编程对翻转体控制系统进行改进，采用轴流风机和压缩机制冷技术对电机和液压油分别进行冷却处理，重新调整液压系统的工作压力。结果表明：改进后消除了液压缸向外渗油和翻转体抖动现象，翻转体对油缸活塞杆支撑区域出现的开裂现象由3～4次/年减少为0，电机机壳温度由65℃降至44℃，液压油温由55℃降至37℃左右，有效降低了设备故障率，提高了设备运行的可靠性和安全性。

片烟装箱翻包机；翻转体；支持向量机（SVM）；抖动；液压系统；油温

片烟装箱翻包机应用于卷烟厂制丝线的片烟预处理段［1］，主要是将上游设备输送的空箱准确定位到辊道输送机上，并将卸去托盘、钢带、木夹板的烟包进行装箱和90°翻转，翻转后的烟包底面向上。片烟经过装箱翻包工序后，可方便垂直分片机对片烟进行松散，提高真空回潮后片烟的回透率。但片烟装箱翻包机在使用过程中存在一些问题，如液压油缸向外渗油、液压油温及其驱动电机的外壳温度过高、翻转体在翻转过程中出现抖动、翻转体对油缸活塞杆的支撑区域频繁出现开裂现象等，从而导致设备故障停机。陈猛［2］分析对比了片烟装箱翻包机回转架结构（即翻转体）的疲劳寿命和使用寿命；曹广文［3］分析了液压油温过高原因并提出了降温措施，但上述研究未能解决翻转体出现抖动和裂缝等问题。支持向量机（Support Vector Machine，SVM）是 Vapnik 等［4-5］于1995年首先提出，在解决小样本、非线性及高维模式识别中具有许多独特优势。SVM的主要思想可概括为线性可分和线性不可分两种情况。对于线性不可分情况，通过使用非线性映射算法将低维输入空间线性不可分的样本转化为高维特征空间使其线性可分，从而使高维特征空间可以采用线性算法对样本的非线性特征进行分析。为此，在SVM［6-11］基础上提出了基于先验知识的LS-SVM（Least Squares Support Vector Machines）理论［12］，并通过PLC编程［13-14］及调整液压系统［15］的压力输出等方法，对片烟装箱翻包机的翻转体控制及液压系统进行优化及改进，以解决上述问题，提高设备安全运行水平，降低维修强度。

1 问题分析

片烟装箱翻包机主要由翻转体、液压系统等部分组成，见图1。翻转体安装在设备底座上，主要由转轴、AB两面相互垂直的矩形框构成，带导向槽的A面矩形框上安装了具有移动功能的皮带输送机；B面矩形框上安装有辊道输送机，翻转体可绕转轴作90°翻转。液压系统由液压泵站、溢流阀、比例换向阀、平衡阀、风冷装置及液压油缸等元器件构成，共有2个液压油缸，分别安装在翻转体的左右两侧，液压油缸的一端以底座框架为支撑，另一端以翻转体A面框为支撑，当油缸的活塞杆伸出时，翻转体做翻转动作，翻转体B面框内的辊道输送机由垂直状态转变为水平状态，即辊道放平；当油缸的活塞杆缩回时，翻转体A面框内的移动式皮带输送机由垂直状态恢复到水平状态，为下一次装箱翻包动作做准备。

图1 片烟装箱翻包机结构示意图

片烟装箱翻包机在运行过程中，经常会出现异常现象：①在翻包过程中，翻转体出现连续抖动现象；翻转体对油缸活塞杆的支撑区域出现开裂，且裂缝逐渐扩大，最终导致翻转体无法翻转，造成生产中断。裂缝焊接后，经过一段时间的使用，新的裂缝再次出现。②翻转体在翻转过程中，液压系统的工作压力达1.5×107Pa，油缸内油温上升至60℃左右，而设备本身的液压油风冷装置无法使油温保持在40℃以下，造成液压油黏度下降，液压系统出现泄露现象。液压油温度继续升高，会导致液压油缸损坏。③液压系统驱动电机功率为7.5 kW，起动电流超过20 A，在片烟装箱翻包机每个工作周期的开始，电机都要重新起动。电机的频繁启动，使电机外壳温度高达65℃，定子线圈温度在70℃左右，造成线圈绝缘性能降低，转子轴承内润滑状况恶化。

2 改进方法

根据设备运行原理，皮带输送机在片烟装箱过程中，所处位置不同会导致液压系统的负荷发生变化。对液压系统负荷进行优化，可以减少系统消耗，延长设备使用寿命，提高动力输出能力。液压系统负荷的优化问题，亦可视为皮带输送机定位优化的问题。而皮带输送机定位问题属于小样本［16］回归，为此引入SVM理论，对其进行优化处理。

2.1 SVM回归算法

针对皮带输送机定位优化问题，鉴于已知信息无法应用于传统的SVM，在本研究中应用了基于先验知识的LS-SVM。先验知识是指对于学习任务除训练数据外可得到的所有信息，涵盖范围很广。人工智能领域的学者将先验知识引入SVM分类模型中，主要有两个研究方向：①选择特定背景知识下的核函数；②直接把先验知识引入SVM分类器中，包括直接在训练样本中引入先验知识属性，然后统一通过SVM表示。本研究中基于后者，使先验知识耦合于SVM，其表达形式为［17］：

2.2 抖动实验

利用泰克实时示波器配合TDSJIT3抖动分析软件［18-19］，对 FJ718Y406103 型装箱翻包机进行抖动测试和分析。由图1b所示，以检测开关SQ1.5A103所处位置为起点，设SQ1.1A103与SQ1.5A103距离为xi，xi在1.0～2.0 m 范围内分别取 10个数据，通过实验测得翻转体翻转过程中的抖动角y，结果见表1。

表1 检测开关SQ1.1A103、SQ1.5A103之间距离与翻转体抖动角的关系

应用表1数据作为训练数据，根据先验知识0≤y（xi）≤6和SVM，选择径向基函数（RBF）作为核函数，包含宽度参数δ和C。由于基于先验知识选择参数，会导致不同数据对先验知识适应程度不同。为此，采用动态调整优化参数，即用先验知识固定第1个参数，用列举法确定第2个参数，然后再固定已优化的参数确定第1个参数，最后将优化后的第2个参数在各自邻域内验证其最优性。在选定核函数和SVM参数后，输入样本集求得Lagrange乘子ai（i，…，l）和偏置b，从而确定预测函数 y（x）=WTφ（x）+b。根据函数，确定抖动角最小值对应的xi为1.5 m。

2.3 改进措施

（1）应用上述训练结果，对检测开关SQ1.1A103的位置进行重新定位，使检测开关SQ1.5A103、SQ1.1A103之间的距离为1.5 m，以获得最小的抖动角。

（2）根据SQ1.5A103、SQ1.1A103之间的距离，确定翻转检测开关SQ1.4A103位置，并利用PLC编程对移动式皮带输送机的移动功能控制方式进行改进，见图1b。移动式皮带输送机的移动功能主要通过电机M103-1的正反转来实现，正转使皮带输送机前移，反转使其后退。改进前，翻转体无论是静止还是翻转状态，电机M103-1的正转或反转都可激活；改进后，当翻转体处于静止且翻转检测开关SQ1.4A103被触发时，电机M103-1的正转或反转才被激活；翻转体处于静止且辊道放平检测开关SQ1.3A103被触发时，电机M103-1的反转才被激活；翻转体在翻转过程中，电机M103-1的正转或反转均被禁止。

（3）根据电机M103-1的正转或反转情况，分别对液压油和电机进行降温，改进后冷却装置见图2。利用压缩机制冷技术，将液压站内的高温液压油引入油温精密控制装置，根据SQ1.5A103、SQ1.1A10的距离，将油温控制在设定值±4℃范围内，液压油经冷却后，重新引回液压站内；利用风冷技术，在液压系统驱动电机的尾部增加一台高转速轴流风机，生产过程中保持连续运转，使电机机壳温度保持在一定范围内。

（4）根据油温控制在设定值±4℃范围内的要求，对每只油缸两个腔体的背压腔压力进行调整，通过调整平衡阀使油缸处于临界动作状态；将溢流阀的设定压力从1.5×107Pa降低至0.9×107Pa，调整调速阀的开度，实现两油缸活塞杆动作同步。

图2 改进后冷却装置结构示意图

3 结论

应用支持向量机SVM优化皮带输送机的定位，并对翻转体控制和液压系统进行改进后，片烟装箱翻包机实际运行状况良好，性能稳定可靠，液压缸向外渗油和翻转体抖动现象彻底消除，翻转体对油缸活塞杆支撑区域出现的开裂现象由3～4次/年减少为0，电机机壳温度由65℃降至44℃，液压油温度由55℃降至37℃左右，降低了设备故障率，提高了设备运行的安全性和可靠性。

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Improvement of Control and Hydraulic System for Turnover Body in Strips Case Filling and Tipping Machine

WANG Deji1,WANG Zhiguo2,XIE Jian3,and LIU Junfeng3
1.Staff Development Institute of CNTC,Zhengzhou 450008,China
2.Nanyang Cigarette Factory,China Tobacco Henan Industrial Co.,Ltd.,Nanyang 473000,Henan,China
3.Golden Leaf Production and Manufacturing Center,China Tobacco Henan Industrial Co.,Ltd.,Zhengzhou 450016,China

As a solution to the dithering of turnover body and high temperatures of hydraulic oil and driving motor,the positioning means of belt conveyor was optimized by a prior knowledge based LS-SVM(Least Square Support Vector Machine)theory.The control system for turnover body was improved by PLC programming;motor and hydraulic oil were cooled by axial flow fan and compressor refrigeration technology respectively;and the working pressure of hydraulic system was readjusted.The results showed that after improvement,the leakage of hydraulic oil and the dithering of turnover body were eliminated,the cracking in the supporting area of turnover body to the piston rod of oil cylinder decreased from 3-4 times/year to 0,the temperature of motor lowered from 65 to 44℃and that of hydraulic oil lowered from 55 to 37℃.The failure rate of equipment was effectively reduced,while the reliability and safety of equipment running were promoted.

Strips case filling and tipping machine;Turnover body;Support vector machine(SVM);Dithering;Hydraulic system;Oil temperature

TS431

B

1002-0861（2015）12-0092-04

10.16135/j.issn1002-0861.20151215

2014-10-08

2015-05-11

王德吉（1975—），博士后，高级讲师，主要从事工业自动化教学与研究。E-mail：wangdeji@aliyun.com

王德吉，王志国，谢建，等.片烟装箱翻包机翻转体控制及液压系统的改进设计［J］.烟草科技，2015，48（12）：92-95.WANG Deji,WANG Zhiguo,XIE Jian,et al.Improvement of control and hydraulic system for turnover body in strips case filling and tipping machine[J].Tobacco Science&Technology,2015,48(12)：92-95.

责任编辑 曹 娟