GDX2000Y細支包裝設備煙條成型進煙裝置的開發與應用

馬江，桑叢，余俊毅，聶鑫，李軍，呂小波，張凌

GDX2000Y細支包裝設備煙條成型進煙裝置的開發與應用

馬江，桑叢，余俊毅，聶鑫，李軍*，呂小波，張凌

（紅塔煙草（集團）有限責任公司玉溪卷煙廠，云南 玉溪 653100）

解決GDX2000Y細支包裝設備在生產過程中存在的成型入口處發生煙包輸送阻塞的問題。通過對GDX2000Y細支包裝設備煙條成型部分進行分析及改造，設計并運用進煙裝置，在原設備雙聯推桿推動“煙包疊”的基礎上增加進煙裝置，對剔除工位后的煙包進行整理及輸送，減少了煙條成型過程中煙包相互擠壓變形及排列不整齊現象。以細支“玉溪初心”為測試對象，GDX2000Y運行速度為50條/min，裝置運用后穩定可靠，煙條成型工位阻塞次數由8.47次/d減少至0.87次/d，機組運行效率提升了9.31%，廢品率降低了0.21%。裝置投入使用后，解決了細支包裝設備在高速生產過程中煙包阻塞的問題，保證了產品質量及設備運行穩定性，效率提升顯著。

GDX2000Y；細支卷煙；進煙裝置；煙條成型；效率

隨著卷煙消費市場的不斷變化，消費群體的不斷升級，“細短中爆”等特色卷煙產品異軍突起，其中細支卷煙產品的表現尤為搶眼。細支卷煙圓周低于傳統卷煙，降低煙支圓周可以節約卷煙原輔材料，在生產過程中可以節約生產成本，且在行業降焦減害的背景下[1]，細支卷煙銷量逐年上升，成為行業發展的新增長點[2-4]。目前，針對細支卷煙的研究主要集中于柔性生產[5-6]、吸味加香[7-9]、制絲工藝[10-11]等方面，針對包裝設備的研究主要集中于中低速包裝設備的改造。黃小平等[12]為解決YB45細支煙包裝機因小盒商標紙側邊粘貼不牢而導致運行速度低等問題，對煙包烘干裝置進行了改進，解決了細支煙包側面彈開的問題。王川等[13]為了解決GDX2細支包裝機煙庫少煙導致停機的問題，設計了無動力滾輪和其他糾偏措施，減少了煙庫停機頻次。彭一帆等[14]為了解決卷煙儲存輸送系統中細支煙橫煙的問題，對煙支分流器進行設備優化，降低了卷煙儲存輸送系統中細支煙橫煙頻次。目前，針對中低速細支包裝設備研究較多，但針對GDX2000Y等高速或超高速細支卷煙包裝設備的研究未見報道。為此，本研究針對GDX2000Y細支包裝設備生產過程中存在的煙包在成型入口處發生阻塞的問題展開研究，設計并應用了進煙裝置，對剔除工位后的煙包進行整理及輸送，減少了煙條成型過程中“煙包疊”相互擠壓且保證了煙包輸送定位準確，提高了設備運行穩定性及效率，降低了生產成本。

1 存在問題

GDX2000Y細支包裝設備由主機及輔機組成，輔機由小盒透明紙包裝機、條盒包裝機、條盒透明紙包裝機組成。小盒透明紙包裝機完成透明紙包裝后，經八角盤旋轉輸送，由雙聯推桿將2包一組的“煙包疊”向前輸送，雙聯推桿與煙條成型位置間共有18個工位，“煙包疊”通過接觸面間相互作用力向前移動；美容器完成小盒透明紙整形；剔除桿在剔除工位將美容器內燙壞的煙包剔除；“煙包疊”在輸送末端完成二五平包排列后，由條盒包裝機的推條器將“煙包疊”推入條盒，同時預折器向前移動，完成條盒的預折疊，如圖1所示。

細支卷煙相較于常規卷煙小盒厚度較小，且細支“玉溪初心”采用“前圓后方”設計，導致輸送時“煙包疊”接觸面遠小于常規卷煙。煙包在輸送過程中變形較大，且“煙包疊”在剔除工位被剔除后，會造成前后工位“煙包疊”排列不整齊，推條器推動“煙包疊”時輸送定位不準，引起煙包輸送阻塞，造成設備效率下降且存在質量風險。

1.八角盤；2.雙聯推桿；3.煙包疊；4.剔除桿；5.條盒； 6.預折器；7.推條器；8.剔除工位；9.美容器。

2 改進方法

針對GDX2000Y細支包裝設備在高速生產過程中存在的煙包在成型入口處發生阻塞的問題。通過對煙條成型過程研究，在美容器及條盒包裝機間增加進煙裝置，對剔除工位后的“煙包疊”進行整理及輸送，減少了煙條成型過程中煙包發生變形且保證了煙包輸送定位準確，提升了煙包輸送質量。

2.1 方案設計

進煙裝置安裝于剔除工位之后，對完成剔除后的“煙包疊”整理及輸送，整套機構動力由條盒包裝機預折器提供，在預折器下方安裝平面凸輪，平面凸輪帶動進煙裝置運動。進煙裝置通過夾緊“煙包疊”頂部及底部完成“煙包疊”輸送，即進煙裝置需要有2個動作。動作1為夾緊“煙包疊”，完成“煙包疊”整理；動作2為向前運動輸送“煙包疊”，在“煙包疊”輸送到位后，釋放夾緊動作，然后沿“煙包疊”輸送反方向運動，等待下一次輸送循環。

2.2 結構組成

進煙裝置安裝于條盒包裝機上，依靠夾緊機構完成煙包輸送，因此系統設計時需要做到：進煙裝置的夾緊、輸送動作需要與雙聯推桿、推條器相互配合；利用剔除點至條盒包裝機間的輸送通道進行安裝，不影響設備正常運行，設計機構緊湊；夾緊力度適中，既能保證“煙包疊”輸送的動力需求，又保證煙包不發生損壞，杜絕質量缺陷和防止設備損壞[15]。結構組成見圖2所示。

如圖2所示，進煙裝置由輸送驅動機構、夾緊機構、夾緊驅動機構組成。預折器由設備傳動箱驅動做往復運動，在預折器上安裝有輸送驅動機構，輸送驅動機構通過凸輪、連桿等驅動夾緊機構做前后往復運動；夾緊機構前后往復運動的同時，由夾緊驅動機構驅動夾緊機構做夾緊及釋放動作；預折器、輸送驅動機構、夾緊機構、夾緊驅動機構聯動。夾緊機構在向前運動的過程中，夾緊驅動機構驅動夾緊裝置夾緊“煙包疊”向前輸送，夾緊裝置復位過程中，夾緊機構松開釋放“煙包疊”。

1.夾緊機構；2.預折器；3.夾緊驅動機構；4.輸送驅動機構。

2.2.1 夾緊機構設計

如圖3所示，夾緊機構包括夾緊輥座1、夾緊輪2、夾緊輥3、導軌4、支撐盤5、滑動桿6、滑座7。夾緊輥座1安裝于滑座7上，滑座7安裝于導軌4上，夾緊輥座1可沿導軌4自由移動。夾緊輥座1上水平對稱設置有腰型孔，兩腰型孔位置連接有滑動桿6，滑動桿6可沿腰型孔自由移動；滑動桿6在中段位置設置用于對其進行支撐的支撐盤5。兩夾緊輥3上通過單向軸承分別安裝夾緊輪2；夾緊機構的夾緊輪2只能單向轉動，在夾緊煙包向前運動時不會發生轉動，反向運動時可以自由轉動；夾緊輪2表面為橡膠材質，保證“煙包疊”輸送的摩擦力，且避免損傷煙包。夾緊機構在輸送驅動機構的驅動下實現前后往復運動，在夾緊驅動機構的驅動下實現夾緊和釋放動作。

2.2.2 輸送驅動機構

輸送驅動機構包括預折器1、拉簧2、連接座3、拉桿4、轉動臂5、滾子6、平面凸輪7，如圖4所示。預折器1為設備原有結構，由傳動裝置驅動前后運動，平面凸輪7安裝于預折器1下方。轉動臂5呈L形拐角處通過轉軸固定于設備箱體上，可沿轉軸自由轉動。轉動臂5一端安裝有滾子6，與平面凸輪7配合可控制轉動臂5的轉動；另一端通過拉桿4與連接座3相連，拉桿4可調整長度。連接座3后端安裝有拉簧2，拉簧2保證滾子6與平面凸輪7的表面緊緊貼合。平面凸輪7的前后移動可帶動轉動臂5轉動，轉動臂5轉動可驅動連接座3前后移動，使夾緊機構做前后往復運動。

1.預折器；2.拉簧；3.連接座；4.拉桿； 5.轉動臂；6.滾子；7.平面凸輪。

2.2.3 夾緊驅動機構

夾緊驅動機構如圖5所示，包括平面凸輪1、滾子座2、拉桿3、轉軸4、右夾緊輪拉桿5、左夾緊輪拉桿6、轉動盤7、連桿8、滾子9。轉動盤7安裝于轉軸4上，可沿轉軸4自由轉動，轉動盤7上下端分別安裝右夾緊輪拉桿5、左夾緊輪拉桿6，分別與左右夾緊輪相連，轉動盤7的轉動將驅動左右夾緊輪對向移動。轉動盤7通過連桿8、拉桿3與滾子座2相連。滾子座2上安裝有2個滾子9，滾子9與平面凸輪1配合，平面凸輪1的凸輪曲線將驅動轉動盤7轉動。同時夾緊機構的前后移動將驅動轉動盤7前后移動，使滾子9沿平面凸輪1的軌跡曲線移動，實現驅動夾緊輪夾緊及釋放動作的功能。

1.平面凸輪；2.滾子座；3.拉桿；4.轉軸；5.右夾緊輪拉桿； 6.左夾緊輪拉桿；7.轉動盤；8.連桿；9.滾子。

2.2.4 運動曲線分析

根據設計方案，進煙裝置有2個動作，分別為夾緊動作和輸送動作。為滿足煙包輸送的需求，夾緊動作和輸送動作運動距離將會影響進煙裝置實際效果。設計輸送距離需大于15 mm，夾緊機構單側輪運動距離為5 mm，因此對輸送驅動機構、夾緊驅動機構的運動曲線展開研究。輸送動作由輸送驅動機構驅動，機構運動簡圖如圖6所示，該機構可簡化為曲柄滑塊機構進行分析[16-17]。圖6中為轉動臂豎直邊長度，即為曲柄長度；為轉動臂平邊長度；為拉桿長度，可通過螺紋調整長度；為拉桿與水平面的夾角；為曲柄與水平方向的夾角；為平面凸輪的升程，則滑塊行程見式（1）。

當曲柄與水平方向夾角確定時，拉桿與水平方向的夾角見式（2）。

曲柄轉動角度用表示，則有：

設計平面凸輪的升程為15 mm，起始位置曲柄與水平方向夾角為90°，轉動臂水平邊長度為20 mm，轉動臂豎直邊長度為40 mm，拉桿長度調整為80 mm，根據式（3）計算得曲柄轉動角度為36.87°。根據式（1）、式（2）可計算起始位置滑塊行程為50.72 mm。當平面凸輪移動，帶動曲柄轉動36.87°時，滑塊行程為70.68 mm?；瑝K實際移動距離為兩行程相減，為19.96 mm，即整個夾緊機構向前移動距離為19.96 mm，滿足設計需求，且實際安裝時可通過調整拉桿長度來調整滑塊實際移動距離。

1.平面凸輪；2.拉簧；3.連接座；4.拉桿；5.轉動臂。

圖6 輸送驅動機構簡圖

Fig.6 Schematic diagram of conveying drive mechanism

平面凸輪安裝于預折器上，預折器運動距離為25 mm，即平面凸輪的有效工作行程為25 mm，平面凸輪升程為15 mm，設計平面凸輪軌跡如圖7a所示。初始設計為等速運動規律，在運動起點和終點速度有突變，加速度趨近于無限大，產生較大剛性沖擊。為避免剛性沖擊，提升零件使用壽命，降低運行噪聲，采用余弦加速度運動規律[18]對凸輪軌跡進行優化，則運動方程式為：

式中：s為從動件位移，mm；h為升程，mm；φ為角位移，（°），φ∈[0，φ0]；φ0為推程角，（°）。升程段，φ∈[0，240°]，h=15 mm，φ0=240°，其余角度為停程，優化后的凸輪軌跡如圖7b所示。

夾緊動作由夾緊驅動機構驅動，機構運動簡圖如圖8所示，同樣可簡化為曲柄滑塊機構。參照輸送驅動機構進行設計計算，夾緊機構單側夾緊輪運動距離為5 mm，在夾緊機構向前運動的過程中前1/12行程內夾緊驅動機構不動作，1/6行程內夾緊驅動機構夾緊“煙包疊”，后3/4的行程內輸送“煙包疊”，夾緊驅動機構平面凸輪軌跡如圖9所示。

1.夾緊輪 2.連桿 3.平面凸輪 4.轉動盤。

圖9 夾緊驅動機構平面凸輪軌跡

利用SolidWorks軟件（法國達索系統公司）建立裝置3D模型，利用運動仿真功能開展仿真試驗。結果表明，夾緊機構、夾緊驅動機構、輸送驅動機構運動順暢，配合良好。應用后，進煙裝置單次工作流程如圖10所示。當煙條成型處煙包達到10包時，推條器推動“煙包疊”，同時預折器帶動平面凸輪向前運動，平面凸輪帶動轉動臂轉動，夾緊驅動機構動作，使夾緊機構夾緊“煙包疊”向前輸送?！盁煱B”輸送到位后，預折器復位，進煙裝置復位，單次進煙動作完成。

3 效果驗證

3.1 實驗設計

主要材料：細支“玉溪初心”牌卷煙，玉溪卷煙廠提供。

主要設備：GDX2000Y細支包裝設備，意大利GD公司提供。

測試設備運行效果和廢品率。方法：按設備50條/min的生產速度計算，單班理論生產時間按5.5 h計算（減去班前保養及班中保養時間0.5 h），單周以5 d計算，連續統計3周的實際產量、生產時間、設備運行效率（機組效率=實際產量/額定生產速度下的理論產量×100%）、煙條成型位置發生阻塞次數、平均每天阻塞次數、不合格品率，并與應用前數據進行對比。

3.2 數據分析

由表1可見，GDX2000Y細支包裝設備應用進煙裝置后，機組運行效率由78.42%提升至87.73%，增幅為9.31%；煙條成型工位阻塞次數由8.47次/d減少至0.87次/d，降幅達89.73%；不合格品率從0.53%降低至0.32%，降低了0.21%。說明進煙裝置的使用有效提高了細支機組運行的穩定性，同時減少了卷煙生產消耗，提高了產品質量。

表1 改造前后主要數據比較

Tab.1 Comparison of main data before and after modification

4 結語

針對GDX2000Y細支包裝設備在煙條成型時易發生阻塞、設備效率下降及質量隱患的問題，通過分析煙條成型原理，設計并運用了進煙輸送裝置，對“煙包疊”進行整理及輸送，提高了設備效率并保證了產品質量。結果表明，以細支“玉溪初心”為測試對象，裝置運用后穩定可靠，運行效率由78.42%提升至87.73%，煙條成型工位阻塞次數由8.47次/d減少至0.87次/d，不合格品率從0.53%降低至0.32%，運用效果良好。

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Development and Application of GDX2000Y Thin Packaging Equipment for Forming Tobacco Strips into Cigarette Devices

MA Jiang, SANG Cong, YU Junyi, NIE Xin, LI Jun*, LYU Xiaobo, ZHANG Ling

(Yuxi Cigarette Factory of Hongta Tobacco (Group) Co., Ltd., Yunnan Yuxi 653100, China)

The work aims to solve the problem of cigarette package transportation blockage at the forming inlet of the GDX2000Y thin packaging equipment during production. By analyzing and renovating the forming part of the GDX2000Y thin packaging equipment, designing and applying a cigarette feeding device, a cigarette feeding device was added on the basis of the original equipment's dual push rod to push the "cigarette pack stack". The cigarette packs removed from the workstation were sorted and transported, reducing the phenomenon of mutual compression deformation and irregular arrangement of cigarette packs during the forming of cigarette bars. Taking the thin "Yuxi Chuxin" as the test object, GDX2000Y ran at a speed of 50 bars/min, and the device was stable and reliable after use. The number of blocked tobacco bar forming stations was reduced from 8.47 times/d to 0.87 times/d. The operating efficiency of the unit was improved by 9.31%, and the scrap rate was reduced by 0.21%. After the device is put into use, it solves the problem of cigarette packet blockage in the high-speed production of the thin packaging equipment, ensures the product quality and equipment operation stability, and improves the efficiency significantly.

GDX2000Y; thin cigarette; cigarette feeding device; forming of cigarette bars; efficiency

TB486

A

1001-3563(2024)05-0157-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.05.019

2023-08-01

紅塔集團科技類重點項目（KY-600122001）