自动换卷机构的方案选择与设计

（集美大学 轮机工程学院，厦门 361021）

0 引言

随着二胎放开，新生儿数量增加，以及老龄化进程加速，我国对成人和儿童纸尿裤需求量日益增大[1,2]，导致近年来纸尿裤设备的生产厂家急剧增加，尤其泉州地区。由于起步晚，研发投入不足，与国外的生产线厂家如日本的瑞光公司、意大利的吉地美公司有较大的距离。

不停机自动换卷是纸尿裤生产线的核心技术之一[3]。每条纸尿裤生产线上布设多达6组以上的自动放卷单元[4～6]，每组放卷单元有一套自动换卷机构。各放卷单元的物料卷幅面宽度不一致，压、切、接合机构大小甚至形状也不一致，属于非标类单件生产型式，造价高，宽幅面换卷时间长。本文提出了两个新的方案，与目前使用的方案进行分析比较，针对不同材质和幅面，选择合理的自动换卷方案并进行设计。

1 自动放卷的作用和性能要求

造纸、卫品、印刷包装等行业设备要实现连续不停机生产，自动换卷机构是必不可少的[7～10]。目前纸尿裤生产线速度大都超过250m/min，这就要求换卷速度要快。图1是自动放卷示意图，物料卷A、卷B均拉到自动放卷机构中。若A卷运行，则物料卷B的头部拉到接合部对应的地方，并在物料卷B的头上贴着双面不干胶。料卷A用完，启动控制装置，压住物料A，接合气缸伸出接合料A、B，切断A，料卷B切入运行。图中的储料架，主要用途是保证换卷时输送辊连续不停机向生产线供料。

图1 自动换卷示意图

换卷要求是快速、可靠，料尾浪费尽量少。由于机械运动时差，从控制命令发出到执行完命令，需要一定的时间，一般超过0.3s，对于速度为600片/min拉拉裤（合作厂家生产的XXL码，每条长0.53m左右，0.53×10×0.3=1.59m），则换卷过程中储料架料长缩短了1.59m以上。对于幅面宽度超过500mm的料卷，直接采用现有的剪刀式两切刀对切，0.3s时间是难以保证的，必须把储料架做大。恒张力控制是纸尿裤、造纸、印刷等工业领域的基本要求[11～13]，换卷过程快速性差，增大了恒张力控制的难度。

2 现有的自动换卷机构

图2是目前纸尿裤生产线上常用的自动换卷机构。采用5个气缸实现压料、接合、切断。切断采用剪刀式结构，上、下刀有一小角度，下刀不动，上刀由气缸推动往下运行，要求上、下刀两刀面紧贴，有缝隙会产生无纺布挤在两刀之间未切断。对刀的加工和装配有较高的要求。

图2 全气缸式换卷方案

对于宽幅面的物料，这种方案难以做到。目前采用无杆气缸拉着刀片进行切割宽幅面物料，无杆缸的价格昂贵。在成人纸尿裤或经期裤生产线上，有幅面达到1m左右，普通1m行程的无杠缸，实际推力20kg左右的SMC MY 1B32-1000的报价3500元以上，一台自动换卷机构，需要2个长行程的无杆缸，造价昂贵。即使使用昂贵的高速的无杠缸，切割时间也达到秒级，储料架必须做大，增强储料功能。

3 新型的自动换卷机构

3.1 气缸加电机式自动换卷机构

图3是气缸加电机式自动换卷结构，压料、接合仍采用气缸，切断采用15W的交流电机或直流电机作为动力，电机正/反转拖动固定在同步带上的刀片机构前/后运动，切断压住的无纺布。这种结构造价较无杆缸便宜得多，且速度可以根据需要改变。电机拖动的刀片可以采用现成的笔纸刀片，刀片成本低廉，切断可靠。缺陷是结构复杂一些，必须在两头布上光耦检测刀片到位与否。速度过快，还有一定的过冲，必须把光耦挡片做长点。

与上述方案相比，电控的输入点数增加4个（料A、料B切刀运行的限位光耦），增加输出点2个（2个电机正反转，需要4个输入点进行控制，上述方案只需要用2路控制两个切刀气缸）。窄幅面（宽度≤200mm）的自动换卷机构，气缸剪刀式的切断机构加工装配要求不是很苛刻，气缸加电机式的自动换卷机构没有成本和可靠性方面优势。对于大于500mm幅宽的自动换卷机构，优势是明显的。

图3 气缸加电机式换卷方案

3.2 气缸加热切式自动换卷机构

图4是气缸加热切式的自动换卷方案。由气缸推动的上压块上布设着φ1.0的圆的镍镉丝，通入AC24V交流电加热切断无纺布，结构简单可靠，解决了剪刀式无纺布挤入刀缝的问题。压住无纺布气缸动作之前即可加热，压住无纺布的同时也切断无纺布，实现压住、接合、切断同时动作，换卷速度最快。

图4 气缸加热切式换卷方案

热切方式机构最为简单，但切断处有受热纠缩的问题。在纸尿裤生产中，不管是热切，还是刀切，都要把接合处的这一条裤子剔除成废品，纠缩是没有关系的。为了实现快速切断，变压器功率要超过1kVA。料卷A/B可用同一变压器，节约成本。用同一变压器，副边根据需要接通相应的料卷A/B切断加热丝。由于副边电流太大，控制时应注意控制方法。图5是加热切断控制原理图，继电器采用宏发HF152F，触头电流20A，接通时先接通副边的电路，然后接通原边；断开时先断开原边，再断开副边回路，防止继电器闭合或断开时，副边大电流拉弧烧蚀银触头。采用这种方法进行控制，通过30多个小时试验（每隔2s加热丝通电200ms），试验结果是切断快速可靠，实验后副边继电器外壳剥开，银触头没有任何烧蚀的迹象。

1kVA的变压器的价位较切刀气缸（以亚德客或怡和达为准）低，且结构简单。对于大幅面采用无杠缸的结构，价格便宜得多，且速度快。无纺布、POF膜、PE膜等石油产品加热切断方法是可行的，但对于棉花或者纸等，切断难，是不适合的。

图5 加热切断控制原理图

4 实例

泉州合作厂家生产的二片式拉拉裤上，共有9组放卷单元，根据各单元物料卷幅宽和材质（如表1所示），选择相应的自动换卷方案。

表1 方案选择

实际设计时，内外层无纺布和两侧无纺布放卷单元采用方案3，其余依照厂家的习惯，选用方案1，即原来厂家采用的方案。方案1作了一些修改，采用同一气缸压住物料A、B的方式，即方式2的压料模式。按照上述原则设计的机构，在实际的二片式拉拉裤上生产，效果良好，稳定可靠。宽幅面的自动换卷单元，成本仅为原来的60%左右，换卷速度得到较大的提高，储料架与窄幅面的相似，较原先简单的多。

5 结论

针对卫生用品生产线上的放卷单元较多，各单元物料卷幅面和材质的不同，提出了三种设计方案。建议幅面小于250mm的物料卷，采用气缸式或气缸加电机式的方案。幅面大于250mm的无纺布、POF膜等石油类的产品，采用气缸加热切式的方案。幅面大于250mm的纸类、棉布类，应采用气缸加电机式的方案。这种方案选择方式已作为泉州合作厂家的自动换卷单元的设计规则，在后续的二片式、三片式、环腰裤等上面应用，效果佳，换卷速度快，料尾损耗少，得到厂家的认可，具有较高推广应用价值。