YB618 型硬条及条外透明纸包装机烟包输入通道的改进

余有芳，普靖锋，李惠峰，李跃辉

红塔烟草（集团）有限责任公司大理卷烟厂，云南省大理市下关建设东路191 号 671000

ZB48 硬盒包装机组是引进德国FOCKE700S技术生产的国产化超高速包装设备[1]，在国内卷烟生产企业中应用广泛。该机组采用双通道设计[2-3]，由YB48 型硬盒包装机、YF64 型盒包储存装置、YB518 型盒外透明纸包装机、YB618 型硬条及条外透明纸包装机和YF711 型商标纸堆垛输送装置5 个单机组成[4]。其中，YB618 型包装机主要对小盒烟包（简称烟包）进行条盒包装和条盒外透明纸包装。实际生产中由YB518 型包装机至YB618型包装机的烟包输入通道内因上层烟包滑落容易发生堵塞，造成设备停机，影响生产效率。目前针对YB618 型包装机已有较多研究和改进，马万杰等[5]对YB618 型包装机硬条提升及条外透明纸美容装置进行改进，降低了条烟外观缺陷率；吴建军等[6]通过Pro/E 仿真分析，对YB618 型包装机第二推进器进行改进，改善了第二推进器的润滑环境；周奎田等[7]将YB618 型包装机的双烙铁式整形器改为气流加热式整形装置，解决了条烟透明纸松弛、皱褶等问题。但关于YB618 型包装机烟包输入通道堵塞等问题则鲜见报道。为此，通过分析双层烟包输送原理和受力情况，对烟包输入通道进行改进，旨在减少停机次数，提高生产效率。

1 问题分析

1.1 存在问题

生产中当烟包由YB518 型包装机输送至YB618 型包装机时，输入通道前半段经常出现上层烟包滑落现象，造成通道内上下两层烟包数量不一致。随着输入通道内下层烟包数量增多，烟包数量检测器发出信号，导致设备停机。为排除故障操作人员需要同时转动输入通道的两个旋转开关，利用气缸提升输入通道的上输送带支架，对排列不齐的烟包进行人工补包，操作繁琐且耗时长，影响生产效率。

1.2 原因分析

1.2.1 工作原理

由图1 可见，改进前YB618 型包装机烟包输入通道结构为封闭式，烟包输送方式是由上下两条输送带夹住烟包依靠摩擦力进行同步输送[8]。电机通过传动同步带轮驱动上下输送带，将堆叠烟包由YB518 型包装机美容器出口输送到YB618 型包装机的折叠轮入口处。输入通道是双通道，由两组上输送带和下输送带组成。

图1 改进前输入通道结构示意图Fig.1 Schematic diagram of input passage before modification

烟包输入通道中安装有烟包堆叠存量光电检测器，位置见图2。其中，检测器1 安装在第4 个堆叠烟包处，当其检测不到通道内堆叠烟包时，YB618 型包装机会显示故障信息“最低/最低，输入导轨”；检测器2 安装在第9 个堆叠烟包处，当其检测到累积的堆叠烟包时，最前端的5 个堆叠烟包将被推入折叠轮；检测器3 安装在第14 个堆叠烟包处，当其检测到输入通道中连续堆叠烟包时，机器的运转速度将自动提高；检测器4 安装在第22 个堆叠烟包处，当其被烟包遮挡时，YB518 型包装机将推出美容器内的烟包，设备报警并停机；检测器5 安装在输入通道入口处，当其被烟包遮挡时，设备立即停机。

图2 输入通道中烟包存量检测器位置图Fig.2 Positions of detectors for quantity of packets in input passage

1.2.2 双层烟包受力分析

根据上下输送带带动烟包输送的方式，对双层烟包进行受力分析，见图3。为保证上下层烟包不发生相互运动，上下层烟包的运行速度应分别与两包烟整体运行速度相等[9]。

图3 双层烟包受力分析图Fig.3 Mechanical analysis of cigarette packets on top and bottom conveying belts

以上层烟包为对象进行受力分析，可以得到上层烟包在水平方向上的动力运动学方程：

对下层烟包进行受力分析，得下层烟包在水平方向上的动力运动学方程：

式（1）～式（6）中：f合1为上层烟包在水平方向上的合力，N；f合2为下层烟包在水平方向上的合力，N；f1为上输送带对上层烟包产生的摩擦力，N；f2为下输送带对下层烟包产生的摩擦力，N；f相为下层烟包对上层烟包的摩擦力，N；f′相为上层烟包对下层烟包的摩擦力，N；μ皮为输送带与烟包之间的摩擦系数；F1为上输送带对上层烟包的压力，N；μ烟为上下层烟包之间的摩擦系数；N1为下层烟包对上层烟包的支撑力，N；m 为烟包质量，kg；g 为重力加速度，m/s2；a1为上层烟包在水平方向上的加速度，m/s2；a2为下层烟包在水平方向上的加速度，m/s2；v1为上层烟包水平输送速度，m/s；v2为下层烟包水平输送速度，m/s；v01为上层烟包从美容器中推出的初始速度，m/s；v02为下层烟包从美容器中推出的初始速度，m/s；t 为时间，s。

由于上下层烟包从美容器中推出的初始速度相同，即v01=v02。根据作用力与反作用力原理可得f′相=f相，N1=N′1。为保证双层烟包在输送过程中不产生相对滑动，应保证上下层烟包速度一致，即v1=v2。因v01=v02，故上下层烟包的加速度相等，即a1=a2。根据式（1）～式（6）计算可得f相=-μ皮mg。

为保证烟包之间不产生相对滑动，烟包之间摩擦力绝对值应小于烟包之间最大静摩擦力，即：

式中：μ烟静max为烟包之间的静摩擦系数。

因输送带与烟包之间的摩擦系数μ皮和烟包之间的静摩擦系数μ烟静max均为材料固有参数，当上输送带过长时，烟包在输入通道前段、中段和后段所受压力不均衡，容易造成上下层烟包产生滑动并滑落，导致通道堵塞故障。

2 改进方法

2.1 烟包输入通道

2.1.1 缩短上输送带支架长度

为避免输入通道上层烟包滑落，将上输送带支架长度减少850 mm，并将上输送带尺寸由55 mm×3 690 mm 改为55 mm×1 920 mm，见图4。根据受力分析结果，上输送带缩短后可以显著改善烟包受力不均衡情况，保证上下层烟包无相对滑动。

2.1.2 增加两组输送带

在上输送带支架缩短部位增加两组竖直方向输送带，即将原来由上下输送带带动烟包的封闭式输送方式，改为由左右两侧输送带夹紧烟包、底部输送带带动烟包的开放式输送方式，见图5。通过增加两组竖直方向输送带，提高输入通道前段烟包输送的稳定性。

图4 改进上输送带支架后示意图Fig.4 Schematic diagram of modification of top conveying belt bracket

2.2 输入通道传动系统

为使输送带输送速度保持一致，通过加装3 组与原同步齿形带轮尺寸相同的带轮为开放式输送通道提供动力。根据各带轮尺寸、分布及安装位置，重新设计YB618 型包装机输入通道传动系统，见图6。电机通过电机主带轮1 提供系统动力，通过同步齿形带传递动力，依次带动轴Ⅰ、轴Ⅱ、轴Ⅲ、轴Ⅳ和轴Ⅴ转动，并由轴Ⅴ通过齿轮箱11 带动同步带轮12 旋转。齿轮箱11 的作用是将水平方向传递的动力转变为竖直方向传递，再在同步带轮12 和同步齿形带的作用下，驱动输入通道中的各输送辊转动。

由图6 可见，电机主带轮1 驱动同步带轮2 和同步带轮4 转动，进而带动轴Ⅰ和轴Ⅱ转动。轴Ⅰ是上输送带的动力输入轴，轴Ⅱ是下输送带的动力输入轴。同步带轮5 与轴Ⅱ固定连接，由同步带轮5 通过同步齿形带驱动同步带轮6～10 传动，分别驱动轴Ⅲ、轴Ⅳ和轴Ⅴ转动。齿轮箱11 传动比为1∶1，其内部有两个外形相同、互为90°安装的锥齿轮，一端与轴Ⅴ连接，另一端与同步带轮12连接。同步带轮12 作为改进后输入通道的动力驱动轮，带动同步带轮13、14、15 和17 转动。同步带轮13、14、15 和17 与驱动辊9、10、11 和12 同轴固定连接（图5），分别驱动输入通道的4 条输送带。

图5 改进后输入通道结构示意图Fig.5 Schematic diagram of structure of input passage after modification

图6 改进后输入通道传动系统示意图Fig.6 Schematic diagram of transmission system of input passage after modification

同步带轮2、4 均由电机主带轮1 驱动，直径为80 mm，齿数为30 个，属同级传动，故转速n1相等。同步带轮5、6、7、8、9、10、12、13、17 直径和齿数与同步带轮2、4 相同，由传动原理[9]可知，同步带轮4、10 转速与线速度也相等。齿轮箱11 内交错锥齿轮间的传动比为1∶1，故同步带轮12、10 转速相等。同步带轮13、14、15、17 由同步带轮12 通过同步齿形带驱动，也属于同级传动，其中同步带轮14、15 直径为40 mm，根据直径比值等于转速反比原理[10]，同步带轮14、15 转速，可得同步带轮14、15 驱动的驱动辊10、11 直径D2=0.5×D1，D1为同步带轮13、17 驱动的驱动辊9、12 直径，因此通道两侧输送带的线速度相同[11]，实现了开放式输入通道4 条输送带与原有上下输送带对烟包的同步输送。

3 应用效果

3.1 试验设计

材料：“红塔山（硬经典100）”牌卷烟[由红塔烟草（集团）有限责任公司大理卷烟厂提供]。

设备：ZB48 包装机组（上海烟草机械有限责任公司）。

方法：根据DCS（Distributed Control System）系统数据，统计YB618 型包装机烟包输入通道改进前后各10 个工作日内因上层烟包滑落导致通道堵塞引起的停机次数，取平均值。

3.2 数据分析

由表1 可见，改进后因输入通道上层烟包滑落导致通道堵塞引起停机次数由8.9 次/天减少为0.2次/天，停机率降低97.75%。烟包输入通道改进后机组运行稳定，减轻了操作人员劳动强度，提高了包装机组生产效率。

表1 改进前后因输入通道堵塞引起停机次数对比Tab.1 Number of times of emergency stop caused by packet input passage jam before and after modification（次·天-1)

4 结论

通过对YB618 型包装机烟包输入通道工作原理及受力进行分析，将烟包输入通道由封闭式改为开放式，即将上下输送带带动烟包输送方式改为左右两侧夹紧烟包输送方式，并由原同步齿形带轮经多组同步带传动和锥齿轮箱传动后驱动输送带，较好地解决了因输入通道内上层烟包滑落导致通道堵塞造成停机次数多等问题。以大理卷烟厂生产的“红塔山（硬经典100）”牌卷烟为对象进行测试，结果表明：YB618 型包装机改进后因输入通道堵塞引起的停机次数减少8.7 次/天，停机率降低97.75%。有效提高了YB618 型包装机的生产效率。