超高速YB48型硬盒包装机商标纸喷胶装置的研究及改进

杨忠泮， 谢黎明

(1.甘肃烟草工业有限责任公司 兰州卷烟厂，甘肃 兰州 730050；2.兰州理工大学 数字制造技术与应用省部共建教育部重点实验室，甘肃 兰州 730050)

ZB48型硬盒包装机组是在消化吸收德国FOCKE公司FC800包装机组专用技术基础上，首组实现国产化的超高速卷烟包装设备，其额定生产能力为800包/min，并已在国内烟草工业企业中广泛采用[1]。机组中的主机YB48型硬盒包装机运用了FOCKE 700S 包装机的直包技术，主要完成硬盒烟包的包装工序，其双路包装的技术具有结构可靠、易于操作和生产效率高等优势。YB48型硬盒包装机商标纸的上胶工序，采用的是机械旋转接触式涂胶与压力自动间歇式喷胶相结合的方式，其中喷胶执行单元部件作为整机中价值较为高昂的关键部件，喷胶头总成的稳定与可靠运行，是保证生产效率和产品品质的核心因素之一。但在生产过程中，喷胶头总成经常出现喷嘴堵塞、胶点缺失等现象，并且也面临着故障率高和维修成本高等问题。喻树洪等[2]对FOCKE 701商标纸喷嘴堵塞原因进行分析，提出5条相应维保方法建议，蔡培良等[3]设计了C800-BV包装机条盒纸胶点的动态检测与剔除系统，均获得了一定的效果，但对于超高速YB48型硬盒包装机喷胶装置的分析与研究尚未见报道，而且上述改进方法对解决原型喷胶装置故障率高、维修率高与维修费用高等问题借鉴意义也十分有限。近年来，随着FOCKE F8以及FOCKE F3等更为先进的包装机组投入使用，特别是新型商标纸喷胶装置在实际生产中显现出更高的性能可靠性、维护便捷性以及零组件的成本经济性等优势。为此，本文在对原装喷胶装置及执行机构分析的基础上，通过改装和调整喷胶装置关键部件，对YB48型硬盒包装机商标纸原喷胶装置进行改进，以提高商标纸喷胶工序的质量稳定性和设备可靠性，同时达到降低设备维护成本的目的。

1 喷胶装置结构

1.1 喷胶装置组成及运动分析

1.右侧气缸, 2.左侧气缸, 3.回转轴, 4.摆臂,5.喷胶头总成, 6.胶水回收槽。

YB48型硬盒包装机商标纸喷胶装置分为供胶单元和喷胶单元两部分[4]。商标纸喷胶装置使用的冷胶水来自于储胶罐，并与商标纸机械式涂胶装置共享同一供胶单元。其中喷胶装置组成见图1。根据喷胶头总成停止工位的不同，喷胶装置主要有3种工作位置，分别为工作位、测试位和保养清洁位。设备在开机前或停车超过5 s时，喷胶执行单元处于保养清洁位，此时双作用气缸左右两端均处于伸出状态，使喷胶头总成前端的喷嘴浸没于转动的湿润海绵辊内1～2 mm，起到清洁和保湿的作用；当复位启动设备后，双作用气缸处于左端伸出右端缩回状态，此时进入到测试位，喷嘴正对着胶水回收槽并持续2 s，以确保商标纸上的涂胶量均匀，该状态是一种中间过渡位置；然后，喷胶执行单元进入到工作位，双作用气缸左右两端均处于缩回状态，对商标纸输送辊输送的商标纸上胶。另外，可在设备停机时，通过箱体右侧的按钮对喷胶装置进行调试，实现手动切换工作位与测试位。

作为喷胶装置核心部件的喷胶头总成，主要由8个并联冷胶喷枪头单元组成[5]，使用粘度值为330 mPa· s的132-484A冷胶水。如图2所示，当喷枪头处于非工作状态时，由于弹簧封闭针与喷嘴之间无间隙从而使胶路处于封闭状态；当处于工作状态时，由控制器发送的高频电脉冲信号与电磁线圈的作用，弹簧封闭针最快可在0.001 6 s内完成一次往复动作，进而实现喷嘴处胶水的通断转换。通过座体上每个喷枪顶端的调节螺杆，可以调节喷嘴在开启时弹簧封闭针与喷嘴的间隙，作用是控制喷射出的胶流束的聚中性，避免胶水量过小而引起的挂壁或者胶流分散而产生过多的卫星胶，目的是实现对高速运动的双通道商标纸背面4列点状胶点的正确喷涂。

图2 喷胶头总成及其工作原理图

1.2 喷胶装置存在的工作弊端

目前YB48使用的原装喷胶头总成型号为Baumer HHS公司的V4-814-SP2-F，其原装的喷胶头总成在实际工作中的短板日益凸显，主要存在以下问题：

(1)维修时间较长，在对喷胶头总成进行修复时，需要拆装较多零部件，而且外部防护罩并不是密封，内部极易存留污渍进而影响其可靠性；

(2)喷枪内的弹簧封闭针易附着固体胶渍引起喷嘴堵塞，而且当复位弹簧由于金属疲劳发生弹簧失效时会引起密封不严，进而产生喷嘴漏胶现象；

(3)喷嘴的凸台与凹槽复合结构外形，使得胶渍不易清洁；

(4)原装喷胶头总成价格高昂，单套装置采购费用为34万余元，更换单个冷胶喷枪头单元零件费用7400余元。

综上所述，当喷胶装置频繁发生胶点缺失或胶量不正常时，一方面直接影响硬盒包装质量，另一方面造成频繁停机降低有限作业率，而且使得维护成本大大增加。

2 喷胶装置的改进

2.1 新型喷胶头总成原理及结构特点

随着以FOCKE K701S0040型喷胶头总成为代表的新型喷胶装置技术的不断成熟以及应用，使得商标纸喷胶环节可靠性进一步提高。新型喷胶头总成外观及喷枪单元内部如图3所示，两种喷胶头总成结构功能及数据对比如表1所示。

图3 新型喷胶头总成及喷嘴内部结构

表1 两种喷胶头总成功能及数据对比表

在设备管理方面，新型喷胶头总成及其配件通用性更好，单个喷枪组件的零件数量及结构优化，缩短了维修时间。另外新型喷胶头总成单套价格仅为原装型号价格1/4，使得装置维护费用显著降低。综合考虑新型喷胶头总成与原装的喷胶头总成原理相似性、新喷胶头总成的更换，改装配套连接件并调整执行装置的安装参数是必不可少的环节。

2.2 摆臂结构工作载荷与静力学分析

2.2.1 摆臂工作载荷理论

原装喷胶头总成在座体顶部采用凹槽嵌入的方式悬挂于摆臂下端，改装的新型喷胶头总成通过延伸臂从侧面连接于摆臂下端。而且两种喷胶头总成的喷嘴到座体上部连接处的距离不同，决定了改装摆臂的结构尺寸以及承受载荷的力学效果不同。所以，对改装前后的摆臂进行载荷及静力学分析是非常必要的。当喷胶执行单元处于清洁保养位时，此时的摆臂是一个典型的悬臂梁受力方式，摆臂下端主要承受喷胶头总成重力F喷胶头重力，是3个工作位置中承受力矩的最大值；在进行工作位置切换时，由于气缸推力作用，在摆臂末端还将承受由喷胶头质量m喷胶头引起的惯性作用力F作用力，加速度方向为沿着弧形运动轨迹的切线方向，如图 4所示为原装喷胶装置执行机构，图5为执行机构运动简图。

图4 原装喷胶装置执行机构 图5 原装喷胶装置执行机构运动简图

在最大工作载荷状态时，摆臂承受载荷具体计算如下。

气缸推力计算:

(1)

其中F推力为理论气缸输出力，P为压缩空气压力，d为气缸内径。

摆杆下端承受的作用力:

(2)

其中F作用力为摆臂在停动转换时下端承受的惯性力，m喷胶头为喷胶头总成质量，m摆臂为摆臂质量。

喷胶头重力：

F喷胶头重力=m喷胶头·g,

(3)

其中g为重力加速度。

将气缸规格及各部件质量参数代入上述式子，得到改装前后摆臂承受的工作载荷如表2所示。

表2 改进前后摆臂承受的工作载荷

2.2.2 有限元静力分析

建立原装与改装两种摆臂的有限模型，以喷胶执行机构处于清洁保养位，并在气缸动作后的瞬间位置为摆臂受到最大工作载荷状态，载荷加载位置如图5所示，加载力为F平均作用力。摆臂上端采用固定约束，在摆臂下端连接处施加最大工作载荷，材料为铝合金2017A-T4，采用四面体网格划分，网格单元尺寸为1 mm，对其进行静力学有限元仿真试验，结果如图6、图7所示，摆臂静力学中的各参数变化见表3。

(a)改进前摆臂 (b)改进后摆臂

(a)改进前摆臂 (b)改进后摆臂

表3 摆臂静力学分析结果

静力学仿真结果结合表3分析，首先，改装摆臂最大应力值比原装摆臂小17%，两种摆臂加载后最大应力值均远远小于材料铝合金的条件屈服强度215 MPa。其次，最大变形位置均发生在摆杆下端的外侧，虽然改装摆臂比原装摆臂最大变形增加了27%，但摆臂质量由原来的0.54 kg减小到0.20 kg，减重达63%，比刚度效能提高112%。所以，说明改装摆臂的静力学性能较原装摆臂静力学性能更为优异，并满足设备功能需求。

2.3 喷胶装置执行机构运动分析及改装调整参数

通过分析原执行结构尺寸参数的基础上，以改装后执行结构的各部件有效尺寸为依据，重新调整气缸有效行程安装参数，使得改装后喷胶装置满足设备的3种工作位置，使得喷胶头的弧形运功轨迹满足要求，即要求：①在工作位喷嘴在商标纸运行轨迹正上方距离(3±1)mm位置；②在测试位，保证胶水流应喷在胶水收集盘的斜壁上，并从斜壁流入收集盘；③在保养清洁位，使得喷嘴应略微压入清洁辊的深度1～2 mm。如图8所示为改进后喷胶装置实物图，图9是改进后机构工作运动简图。在经过测量、试验、安装及调整后，确定了如表4所示的改进前后各零件固定有效尺寸参数，以及改进前后气缸有效行程调整参数如表5所示。

图8 改进后的喷胶装置执行机构 图9 改进后喷胶装置执行机构运动简图

表4 改进前、后零件固定有效尺寸

表5 改进前、后气缸有效行程调整尺寸 mm

3 改进验证

为验证改进效果，对兰州卷烟厂2#和10#两组ZB48包装机组进行试验，选用“兰州硬精品”标准规格卷烟，包装速度为700包/min，运行时间为2班次/天，数据采集周期为30天，对改进前、后主机YB48喷胶装置每班次发生故障频次、同一生产班组小盒商标纸的单箱消耗量、喷胶头总成周维保单次平均时间进行统计，见表6。

表6 改进前、后喷胶装置故障次数及维保数据统计

生产机组改进前每班次故障频次/次小盒商标纸的单箱消耗量/张周维保单次平均时间/min改进后每班次故障频次/次小盒商标纸的单箱消耗量/张周维保单次平均时间/min2#ZB48机组42504.40790.52502.906610#ZB48机组62504.70880.72503.7068平均值52504.5583.50.62503.3067

结果表明，改进后主机YB48喷胶装置故障停机次数减少4.4次/班，降幅为88%；小盒商标纸的单箱消耗量减少了1.25张/箱，周维保时喷胶装置清洁保养时间缩短了16.5 min/次，降幅为19.7%。单套改装新型喷胶头总成价格比原装节省257 970元，且维修更换单个冷胶喷枪头单元比原装节省1400元。达到了预期的良好效果。

4 结论

在分析原有YB48喷胶装置执行机构的组成与喷胶工作原理的基础上，以FOCKE K701S0040型八头喷胶头总成改装了HHS V4-814-SP2-F型八头喷胶头总成，对配套的改装前后摆臂结构进行了工作载荷分析及静力学仿真试验，验证了改装的关键连接摆臂的可靠性。通过改装后的试验获得了气缸有效行程调整参数。应用效果表明，改进后喷胶装置故障频次减少了88%，小盒商标纸的单箱消耗量减少了1.25张/箱，维保时间缩短了16.5 min/次，将喷胶头总成的成本节约了75.7%，实现了降本增效的目的。