基于Adams的烟条自动清洁装置的设计及运动仿真

钱峰，周波，舒梦，王翔，胡林松，吴凯阳，池滢潇，陈赞赞

烟草设备

基于Adams的烟条自动清洁装置的设计及运动仿真

钱峰，周波*，舒梦，王翔，胡林松，吴凯阳，池滢潇，陈赞赞

浙江中烟工业有限责任公司，宁波卷烟厂，浙江省宁波市奉化经济开发区葭浦西路2001号 315504

【】为降低卷接机故障停机时间，提高设备生产效率，设计了一款适用于单通道卷烟设备的烟条自动清洁装置。【】该装置采用活动式导烟杆的设计，有效实现烟条输送通道的自动清理功能，并基于Adams软件分析了气缸滑块与活动导烟杆的运动特征，以及不同工作压力下活动导烟杆的锁紧力和冲击力变化。【】以ZJ17S型卷烟机为对象进行测试，结果表明：烟条自动清洁装置安装后，清理成功率达98.9%，停机清洁时间由32.9 s降低至10.8 s，清洁效率提升67.2%，且不会影响烟支质量。【】改进后的设备可以有效提高生产效率，减少操作人员劳动强度。

烟条；自动清洁；Adams；运动特征；冲击

当前，国内主流卷烟机主要有德国HAUNI公司生产的PROTOS卷烟机和国产化卷烟机ZJ17、ZJ112、ZJ116及由上述机型引申开发的新特异机种等[1-3]。而随着国产烟机技术的不断成熟，自动化程度不断提高，对烟机设备的运行稳定性和清洁保养效率提出了更高的要求。近年来不断有学者针对卷接机组整机及关键零部件开展以“降低故障频次、提高卷接设备运行效率”为目标的诸多研究。杜坤艳等[4]针对PROTOS2-2卷接机组烟条鼓轮无法快速更换不同规格滤嘴的问题，使用摆动盘控制分离轮的分离行程，提高设备柔性化程度及换牌效率；姜冬子等[5]设计一种YJ212接装机搓板自动清洁装置，有效降低搓板堵塞造成的停机时间；刘为刚等[6]通过对PROTOS2-2卷接机组搓接鼓轮结构原理进行分析，研制了一款搓接鼓轮自动清洁装置，显著减少了搓板堵塞的次数；钱文聪等[7]则对PT70卷烟机运行参数中的小风机参数、回丝量及风室负压进行优化，提高了设备的稳定性。上述研究均在一定程度上提升了设备运行效率，降低了操作工劳动强度，但对于烟条输送通道的研究则鲜见报道，仅有姜冬子等[8]注意到停机时SE烟条输送通道的清洁耗时耗力，通过设计自动清洁装置，减少ZJ112卷烟机的停机处理时间，但该装置缺少运动学分析与仿真研究，且只适用于ZJ112卷烟机。为此，本文基于Adams模拟仿真设计了一款适用于单通道卷烟设备的烟条自动清洁装置，实现卷接设备停机时烟丝、烟条在输送通道中的自动清洁，以减少停机时的清洁时间，提高设备运行效率。

1 问题分析

YJ17的SE卷制成形机是将符合工艺要求的烟丝束经卷烟纸包裹成条，再进行上胶、热封、切割。切割后的双倍长烟支被蜘蛛手机构送入接装机中完成滤嘴接装，最终输出烟支[1, 2]。当卷烟机发生“跑条”时，残留烟条一般会堵塞在导烟杆、喇叭嘴机构、V型导轨等位置。当喇叭嘴机构和V型导轨出现堵塞时清理较为容易，只需打开刀头箱，把堵塞的烟支取下即可。若烟条堵在导烟杆内，则清理时间较长，并且搭口处胶水会形成胶垢附着在微波检测器和导烟杆腔内时，清洁更加麻烦，需要使用专用的细毛刷把留在导烟杆腔体内的断裂烟条捅出，并清理胶垢，断裂烟条需要从导烟杆末端和喇叭嘴中间的间隙中取出，操作起来费时费力，严重影响设备运行效率。

图1 烟条堵塞示意图

2 结构设计

2.1 结构组成

烟条通道自动清洁装置主要由机体连接件1、安装座2、固定导烟杆3、活动导烟杆4、调节套筒固定座5、调节套筒活动座6、气缸连杆7、气缸滑块8、气缸9等组成，如图2所示。自动清洁装置安装在安装座上，而安装座通过螺栓与微波检测装置固定，使用不同的安装座，就可以安装在不同的卷烟机上，即装即用。气缸9内的气缸活塞带动气缸滑块8上下移动，气缸滑块8上连有气缸连杆7，连杆另一端连接活动导烟杆4，四者共同作用完成烟条输送通道的开闭与锁紧功能。调节套筒固定座5和调节套筒活动座6分别与固定导烟杆3和活动导烟杆4固定，且零件上面有开槽，通过调整螺钉进行紧固。微调时可改变调整螺钉的位置使调节套筒活动座6和调节套筒固定座5径向移动，确保烟条能顺畅进入喇叭嘴结构完成切割。安装座2和固定导烟杆3上分别有通气孔，用于连接气管。

当设备因“跑条”停机时，无需打开刀头防护罩，在自动清洁状态下，气缸9直接工作，带动活动导烟杆4向下打开。同时压缩空气从气管进入安装座2和固定导烟杆3上的通气孔中进行吹风，将固定导烟杆上堵塞的烟条吹落，重复动作3次完成清洁。与姜冬子[8]设计的烟条输送通道自动清洁装置采用切刀切断堵塞烟条的方式相比，本装置设计了可自由开闭的活动导烟杆，堵塞的烟条在活动导烟杆4打开后更易吹落，适配性更强。

注：1.机体连接件；2.安装座；3.固定导烟杆；4.活动导烟杆；5.调节套筒固定座；6.调节套筒活动座；7.气缸连杆；8.气缸滑块；9.气缸。

2.2 机构行程函数计算

将烟条自动清洁装置简化为偏置曲柄滑块机构[9-11]，如图3所示。偏置曲柄滑块机构可以将运动形式从直线位移转变为转动，同时拥有急回特性。为计算曲柄运动函数，以o为原点，建立xoy坐标系，为简化计算，设曲柄ao=1，连杆ab=2，曲柄与x轴夹角设为𝜃，连杆与滑块水平方向夹角设为，偏心距设为。

图3 偏置曲柄滑块机构示意图

首先计算曲柄位移函数，其中滑块的位移函数为：

机构在y方向的几何关系：

由此可得曲柄的角度函数：

计算曲柄ao的速度，将式（1）对时间进行求导：

将式（2）两边对时间t求导，整理得到：

曲柄旋转角速度：

将式（5）、（6）代入式（2），得

得曲柄角速度函数：

以上公式中，可以发现曲柄的角度函数与偏心距、曲柄长度1、连杆长度2、连杆与水平方向夹角有关，曲柄的角速度函数与滑块速度、曲柄长度1、连杆与水平方向夹角、曲柄与x轴的夹角𝜃有关。因此，在偏心距、曲柄长度和连杆长度已知的情况下，曲柄的角度函数与角速度函数仅受曲柄与x轴的夹角𝜃及连杆与水平方向夹角影响。经测算，偏心距= 18.2 mm，曲柄长度123.5 mm，连杆长度223 mm。

3 模拟仿真

烟条自动清洁装置在工作时要求锁紧效果良好，启停时冲击力较低，因此需要通过仿真分析确定气缸的最佳工作压力范围。基于Solidworks与Adams软件对烟条自动清洁装置进行虚拟样机仿真，主要分为三大步骤：模型简化；定义材料、约束与驱动；仿真结果分析比较[12]。

3.1 模型简化

采用Solidworks对烟条自动清洁装置进行建模，设置长度单位、重量单位、时间单位为毫米、千克、秒（mm、kg、s）。此外，在零件装配时，考虑到在后期Adams软件中需要分析几个构件之间的相对运动和相对位置关系，故在Solidworks中，将螺钉、铰链、销等连接件省去，各个零件之间直接使用配合关系，包括同轴心、面重合等配合，简化模型结构，为后续仿真做好准备[13-14]。

3.2 模型定义

将前处理完成后的模型另存为x_t.格式，在Adams中打开，并在Render mode渲染模式中选择Shaded模式进行预览。同时注意单位选择与Solidworks中保持一致。由于该装置在工作中受到重力的影响较小，故设置重力加速度为0，最后为模型赋予材料属性，在省去多余连接件与固定螺栓的情况下，所有零件材料均选择为普通碳素结构钢[15]。

Adams主要依靠运动副来约束物体的位移或转动，主要包括移动副、转动副、平面副、圆柱副、固定副等。工作过程中，固定导烟杆与调节套筒固定座用连接螺钉进行固定，两者的运动情况完全相同，故对两者使用布尔加运算进行连接，活动导烟杆与调节套筒活动座的连接也使用同样方法。如图4所示，该装置共有5个固定副，3个转动副，1个移动副。此外，由于要确定气缸进气时，活动导烟杆对固定导烟杆冲

图4 仿真模型约束添加示意图

击力的大小，对活动导烟杆和固定导烟杆之间添加接触副，接触类型为钢（Dry）对钢（Dry）接触参数如下：

刚度系数Stiffness=1.0×105

力指数Force exponent=1.5

阻尼系数Damping=50.0

渗透深度Penetration depth=0.1[16]

在确定驱动添加类型时，需要确定气缸的运动情况，驱动可分为两类，一类为添加力，表现形式为加速度；另一类为直接添加速度，添加位置为气缸活塞底面中心处，考虑到运动的真实情况，在气缸底面中心处添加集中力，方向与气缸动作方向相同[17]。

根据气缸选型，气缸内径为10 mm，单动型气缸，工作压强为0.1～1 MPa，速度范围30～500 mm/s。为确定合适的气缸工作压强，取气缸工作压强范围0.1～0.5 MPa，换算为活塞底部驱动力范围为8～40 N，不同的驱动力进行仿真，仿真内容分别为活动导烟杆及气缸活塞的行程、活动导烟杆工作时的锁紧力、活动导烟杆动作时与固定导烟杆首次接触的冲击力。

3.3 结果分析

3.3.1 活动导烟杆及气缸活塞的行程曲线

对模型进行仿真试验，仿真时间0.1 s，气缸驱动力25 N，结果如图5、6所示，活动导烟杆运动时间与气缸动作时间与一致，活动导烟杆从起始到锁紧位置的总行程为8.5 mm，气缸活塞动作位移为6.5 mm，符合上文公式要求。

图5 活动导烟杆的位移曲线（气缸驱动力25 N）

3.3.2 活动导烟杆工作时的锁紧力曲线

活动导烟杆的锁紧力曲线如图7、8所示，活动导烟杆锁紧力大小随气缸驱动力的增加而增大。气缸驱动力为10 N时，对应的平均锁紧力为15 N，锁紧力较小且波动频繁，锁紧效果不好。当气缸驱动力为25 N时，平均锁紧力为40 N，且锁紧力波动频次显著减少，锁紧效果更佳。

图7 活动导烟杆的锁紧力(气缸驱动力10 N)

图8 活动导烟杆的锁紧力(气缸驱动力25 N)

3.3.3 活动导烟杆工作时的冲击力分析

活动导烟杆的冲击力曲线如图9、图10所示。随着气缸驱动力的增加，活动导烟杆从动作到与固定导烟杆首次接触时的时间不断提前，气缸驱动力为25 N时，首次接触时间为0.12 s，驱动力为40 N时，首次接触时间提前到0.09 s，动作时间减少，符合实际情况。

气缸驱动力为40 N时，活动导烟杆受到冲击力最大为110 N，稳定值为63 N。当驱动力降低至25 N时，冲击力最大为59 N，稳定值为40 N，冲击力最大值大幅下降，但仍有良好的锁紧效果。在首次冲击后，冲击力逐渐转变为锁紧力，大小与3.3.2相符，仿真结果准确。

图9 活动导烟杆的冲击力(气缸驱动力25 N)

图10 活动导烟杆的冲击力(气缸驱动力40 N)

综上可得，既要保证气缸有较好的锁紧效果，又要适当减少冲击，气缸工作压力范围应当控制在0.25～0.3 MPa之间。

4 应用效果

4.1 试验设计

材料：“利群（夜西湖）”牌卷烟（由浙江中烟工业有限责任公司宁波卷烟厂提供）

设备：ZJ17S卷接机组（常德烟草机械有限责任公司）

方法：①改进前后每10 min取样一次，连续取样10次，每次取样200支，根据GB5606.3—2005《卷烟包装、卷制技术要求及贮运》系列国家标准[18]对烟支外观质量和物理指标进行检验，计算烟支合格率；②统计改进后的15个工作日内的“跑条”次数，利用自动清洁装置清洁成功次数以及是否需要专用工具；③统计改进前后15个工作日内设备因“跑条”产生的累计停机处理时间，计算平均处理时间进行对比。

4.2 数据分析

由表1可得，改进前后烟支外观合格率分别为99.85%、99.9%，物测合格率分别为99.8%、99.85%，均满足工艺要求，即烟条自动清洁装置不会影响烟支质量。

由表2可得，在改进后的15个工作日内，因“跑条”产生的停机次数为445次，其中利用烟条自动清洁装置清理成功次数为440次，清理成功率达98.9%，且清理时均未使用工具。

由表3可得，改进后因“跑条”产生的平均停机处理时间由32.9 s降低至10.8 s，清洁效率提升67.2%，有效提高了设备运行效率，降低了操作人员劳动强度。

表1 改进前后取样烟支质量测试对比

Tab.1 Comparison of quality test of sampled cigarettes before and after improvement

表2 改进后设备停机清洁数据表

Tab.2 The downtime and cleaning data of the equipment after improvement

表3 改进前后设备停机清理时间对比

Tab.3 Comparison table of downtime before and after improvement s

5 结论

基于Adams研制了一款适用于单通道卷烟设备的烟条自动清洁装置，通过活动式导烟杆的设计和虚拟样机仿真，分析了气缸滑块与活动导烟杆的运动特征，以及不同工作压力下活动导烟杆的锁紧力和冲击力变化。以宁波卷烟厂生产的“利群（夜西湖）”牌卷烟为对象进行测试，结果表明：该装置可实现卷接设备停机时烟丝、烟条在输送通道中的自动清洁功能，清理成功率达98.9%，清理效率提升67.2%，且不会影响烟支的外观质量，能有效提升生产效率，降低了操作人员的劳动强度和设备故障发生率。该技术可在ZJ17、ZJ17M、ZJ112等单通道卷接设备上推广应用。

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Adams-based design and motion simulation of automatic cleaning device for tobacco sticks

QIAN Feng, ZHOU Bo*, SHU Meng, WANG Xiang, HU Linsong, WU Kaiyang, CHI Yingxiao, CHEN Zanzan

Ningbo Cigarette Factory, China Tobacco Zhejiang Industrial Co., Ltd., Ningbo 315040, China

In order to reduce the downtime of cigarette making and plug assembling machine and improve the production efficiency of the equipment, an automatic cigarette cleaning device for single channel cigarette equipment was designed.The device adopts the movable cigarette guide rod, which effectively realizes the automatic cleaning function of cigarette conveying channel. Based on ADAMS, the movement characteristics of cylinder slider and movable cigarette guide rod, as well as the change of locking force and impact force of movable cigarette guide rod under different working pressures were analyzed.Taking ZJ17S cigarette making and plug assembling machine as the test object, the results showed that after the installation of automatic cigarette cleaning device, the cleaning success rate reached 98.9%, the cleaning time was reduced from 32.9s to 10.8s, the cleaning efficiency was increased by 67.2%, and the quality of cigarettes was not affected.The improved equipment can improve the production efficiency and reduce the labor intensity of operators.

cigarette sticks; automatic cleaning; ADAMS; movement characteristics; attack

上海烟草集团有限责任公司科技项目“基于卷烟品牌需求的烟叶外观分型研究”（K2015-1-044P）

左伟标（1982—），硕士研究生，农艺师，主要从事烟叶生产与质量评价研究，Tel：0550-6679364，Email：hhzzzwb@126.com

蔡宪杰（1973—），Email：caixj@sh.tobacco.com.cn

2021-04-07；

2022-01-14

Corresponding author. Email：2917390218@qq.com

钱峰，周波，舒梦，等.基于Adams的烟条自动清洁装置的设计及运动仿真[J]. 中国烟草学报，2022，28（3）.QIAN Feng, ZHOU Bo, SHU Meng, et al. Adams-based design and motion simulation of automatic cleaning device for tobacco sticks [J]. Acta Tabacaria Sinica, 2022,28(3). doi: 10.16472/j.chinatobacco.2021.108