YB45细支烟包装机烟包烘干装置的改进

黄小平，严斌，马存国，李志勇，黄云波*，郑高峰，刘长胜

1.厦门烟草工业有限责任公司，福建省厦门市海沧区新阳路1号 361022 2.厦门大学仪器与电气系，福建省厦门市思明区思明南路422号 361005

近年来随着国内细支卷烟市场规模不断扩大，在常规包装机基础上改造的YB45细支烟包装机在卷烟生产企业中得到广泛应用［1-2］。由于细支烟烟支直径小、质量轻，在包装过程中容易出现因小盒商标纸侧边粘贴不牢固而弹开等问题，由此导致烟包输送堵塞、小盒透明纸破损、CH折叠器堵塞等故障，影响设备生产效率［3］。YB45细支烟包装机额定运行速度为300包/min，受各种因素影响实际生产速度约为280包/min，与常规YB45包装机400包/min差距较大。针对GDX2包装机组已有较多研究及改进，吕小波等［4］将平皮带输送铝箔纸改进为同步齿形吸风带输送，延长了吸风带使用寿命，解决了吸风带跑偏等问题。李超等［5］设计了一种便捷式烟包调头装置，实现了烟包方向的快速调整。廖艳培等［6］在小盒美容整形装置的出口处增加了一套冷却吹风系统，并改进了美容整形装置的上下支座，解决了烟包错位粘连等问题。陈正荣等［7］对内框纸限位装置进行优化，提高了新型内框纸的生产适用性。刘倩等［8］设计了一种烟支通道导向工具，通过控制烟支流向缩短烟支清理时间，降低生产消耗。吕小波等［9］取消了ZB45包装机组主传动箱输出的动力，通过调整交流伺服电机的控制参数，实现输送带与烟包同步运行。烘干工序是卷烟包装生产中耗时较长的工艺环节，对于包装机烘干装置的研究或改进则鲜见报道。为此，通过分析小盒烟包包装工艺流程，对YB45包装机烟包烘干装置进行优化设计，以期提高包装设备生产效率，提升卷烟包装品质。

1 问题分析

1.1 存在问题

YB45细支烟包装机烘干装置主要由上压板（1）、上加热器（2）、下加热器（3）和下压板（4）等部分组成，见图1。小盒烟包完成折叠后进入烘干装置，由上压板和下压板共同对烟包施加作用力，并利用上加热器和下加热器对烟包进行烘干。YB45包装机烘干装置共有36工位，其中27工位有烟包，即烟包进入烘干装置后需经过27工位才能进入下一工序，并在此阶段完成烟包干燥。细支烟包折叠成型后其侧边折叠面积小、厚度薄，由于纸张弹性大且加胶面积小，容易造成烟包侧边粘贴不牢固而弹开，进而导致下游设备运行不稳定、烟包输送堵塞、小盒透明纸破损等故障，影响设备生产效率。

1.2 原因分析

由于细支烟包厚度薄，胶水点和上胶量均较少，因此烟包干燥时间较长（约5.8 s），远大于常规烟包的烘干时间（约4.0 s）。但在对常规YB45包装机进行细支烟改造中未对烘干装置进行改进，YB45细支烟包装机烘干装置仍由36工位组成，为保证烟包干燥时间最高运行速度只能达到280包/min，由此制约了生产效率。在保证烘干效果的前提下，提高YB45细支烟包装机的运行速度需要增加烘干装置的工位数量。由图2可见，烘干装置的间歇运动由槽轮驱动。因此，增加烘干装置的工位数量需要对槽轮机构进行改进。

图2 YB45包装机烘干装置传动系统结构示意图Fig.2 Schematic diagram of transmission system of heating device in YB45 cigarette packer

2 改进方法

2.1 48工位烟包烘干装置设计

选择在Solidworks软件中对烟包烘干装置的相关零部件进行建模和虚拟装配。48工位烘干装置由烘干支架（1）、轮体（2）、上加热器（3）和下加热器（4）组成，见图3。改进后烘干装置工位由36个增加到48个，烘干装置内夹持的烟包数量由27包增加到36包，一包烟在烘干装置中经过36工位后进入下一工序。改进前后烘干装置的传动比1∶3保持不变，驱动烘干装置转动的槽轮机构由12工位增加至16工位，确保设备正常运行。

图3 48工位烘干装置立体结构图Fig.3 Three-dimensional structure of 48-unit heating device

2.2 传动系统分析

槽轮机构的运动和动力特性通常采用类角速度ω3/ω2和类角加速度α3/ω22进行衡量。图4中，θ2、θ3分别是主动件曲柄B3和从动件导杆P3与机架C1的正向夹角（rad），ω2为拨杆的角速度（rad/s），ω3为槽轮的角速度（rad/s），α3为槽轮的角加速度（rad/s2）。

图4 槽轮机构运动简图Fig.4 Movement diagram of maltese mechanism

角位移方程（闭环矢量方程）为：

角速度方程（矩阵形式）为：角加速度方程（j矩阵形式）为：

在MATLAB软件中编写程序得到槽轮机构的运动曲线［10-12］，见图5。可见，槽轮角速度和角加速度的变化取决于槽轮的槽数z，槽数z越大，槽轮机构之间的冲击力越小；角速度和角加速度的最大值随槽数z的增多而减小。槽数z的取值范围是4～18，考虑到加工难度和运行稳定性，选取z=16。

图5 槽轮机构的类角速度和类角加速度曲线Fig.5 Curves of similar angular velocity and similar angular acceleration of maltese mechanism

2.3 烘干装置的动停比

烟包烘干装置的动停比是指传动过程中烘干装置运动与停顿时间之比，主要由槽轮的槽数和驱动轮的滚轮数量决定。设槽轮有z个径向等分槽（槽数），主动盘拨销数为m，槽轮每次运动时曲柄转角为2α，槽间角为2β，由运动原理可知从动轮转动一圈时。槽轮每次运动时间td与停顿时间tj之比即为动停比k：

已知改进前烘干装置m=1，z1=12，则动停比k1为：

已知改进前烘干装置工位n1=36，改进后槽轮槽数z2=16，则改进后烘干装置工位n2为：

改进后烘干装置的动停比k2为：

可知k2＞k1，动停比越大槽轮运动过程中速度变化越小，即槽轮机构之间的冲击力越小。因此，在烟包烘干装置上增加工位是可行的。

2.4 传动系统关键参数确定

已知改进后槽轮槽数z2为16，槽轮与拨销的中心距a为150 mm，拨销数m为1个。根据槽轮机构的运动原理［13-14］可得：

槽间角：

槽轮每次运动时曲柄的转角：

曲柄长度：

圆销半径：

槽轮的外圆半径：

取拨销与轮槽底部之间的径向间隙δ=3～5 mm，则轮槽深度：

运动系数：

通过对槽轮机构主要参数进行计算，可以确定传动系统的关键参数，见表1。

表1 改进后烟包烘干装置传动系统的关键参数Tab.1 Key parameters of modified transmission system of sideseam glue line heating device

3 应用效果

3.1 试验设计

材料：“七匹狼（锋芒）”牌卷烟（厦门烟草工业有限责任公司提供）。

设备：YB45细支烟包装机（上海烟草机械有限责任公司）。

方法：改进前YB45包装机运动速度为280包/min，改进后YB45包装机运行速度由280包/min提升至370包/min（车速以10包/min增加）。统计改进前后小盒商标纸侧边弹开缺陷率和设备生产效率，设备生产效率为单位时间内实际产量与理论产量的百分比。统计时间为2021年10月—12月，取平均值。

3.2 数据分析

由表2可见，在烟包烘干时间不变的前提下，改进后YB45包装机运行速度由280包/min提升至350包/min时，小盒商标纸侧边弹开缺陷率由0.062 3%降低到0.009 8%，设备生产效率增加9.3百分点，提高包装机运行速度未对烟包质量产生影响。但当包装机运行速度提升至360和370包/min时，烟包缺陷率显著增加，分别达到0.015 7%和0.032 4%，表明运行速度超过360包/min时会对烟包质量的稳定性产生较大影响。综合考虑，改进后将350包/min作为包装机的额定运行速度。

表2 改进前后YB45包装机测试数据Tab.2 Test data of YB45 cigarette packer before and after modification

4 结论

对YB45细支烟包装机的烟包烘干装置进行了改进，将烘干装置由36工位改为48工位，烘干装置内夹持的烟包数量由27包增加到36包，在保证小盒商标纸侧边加胶点烘干效果的前提下，有效提高了包装机运行速度。以厦门烟草工业有限责任公司生产的“七匹狼（锋芒）”牌卷烟为对象，对改进前后YB45包装机进行测试，结果表明：改进后YB45包装机运行速度由280包/min提高到350包/min，小盒商标纸侧边弹开缺陷率由0.062 3%降低到0.009 8%，设备生产效率提升9.3百分点，有效提升了包装设备生产效率和产品质量的稳定性。