潘恒乐,胡淑云

高速细支烟卷接机组接烟轮的设计

潘恒乐,胡淑云

(常德烟草机械有限责任公司, 湖南 常德, 415000)

为研制出能应用于ZJ116系列卷接机组的细支卷烟生产的接烟轮, 利用Creo软件设计了细支规格的接烟轮体和4种不同类型的伸缩手。通过预设4组不同负压风机转速以及4种伸缩手, 以生产细支卷烟为对象进行了交叉实验, 并分别对轮体以及伸缩手接烟效果进行了评定, 其结果表明: (1) 负压风机转速对轮体和伸缩手接烟效果影响较大, 在对比实验范围内转速越高, 接烟越稳定, 烟支表面越容易出现压痕。(2) 4种不同的伸缩手, 以C型伸缩手在不同风机转速的适用性最广且稳定, 其原因在于负压孔总面积大。该方法可为其他机型的细支规格设计提供参考。

接烟轮; 伸缩手; 细支卷烟; 负压孔

ZJ116型卷接机组是引进德国HAUNI公司PROTOS2-2技术消化吸收后研制的第一代国产双烟道超高速卷接设备, 由于转让方的技术垄断, 该系列机型不具备生产φ7.0 mm以下烟支规格的能力。随着细支烟市场的发展, 在ZJ116系列机组基础上研制一款具有自主知识产权的高速细支烟卷接机组已迫在眉睫。近年来, 针对ZJ116系列机组已有了较多研究, 王俊等[1]研制了一种链式废烟提升输送装置, 提高了设备的稳定性和易维护性; 潘恒乐等[2]改进了循环风机, 通过降低流化床空气温度, 提高了机组生产的卷烟感官质量; 杜坤艳等[3]设计了一种无凸轮型分离轮, 实现了烟支滤嘴长度规格的快速更换; 冯雄伟等[4]优化了滤棒长度调节装置, 提高了人工调节效率; 刘熙璐等[5]设计了一套冷却装置保证润滑油处于合适的温度范围, 提高了设备的稳定性; 陶韶华[6]研制了在线自动纠偏装置, 采用伺服控制改变水松纸两端张力大小的方式解决了水松纸偏移的问题; 陈锴等[7]通过增大循环风机风量、优化星形辊设计, 提高了梗丝分选效果; 刘斌[8]介绍了应用于ZJ116A型卷接机组的嵌入式IPC控制系统。但目前针对ZJ116系列机组的细支规格改造的研究鲜见报道, 而接烟轮是卷接机组的重要组成部分, 是实现烟支交接的重要部件。上述的研究结果无法指导接烟轮的细支规格改造, 为此通过分析接烟轮的工作原理, 对接烟轮进行细支规格的设计, 再通过对比实验, 找到最佳的设计方案。

1 工作原理

如图1所示, ZJ116系列机组的接烟轮主要由轮体1和14个伸缩手4组成, 其的作用将卷烟机传送来的平行双道的烟条吸到轮体上的固定承烟槽和伸缩手的烟槽中, 并变成单排传给一次分切轮。接烟轮内部有一个固定凸轮, 滚轮在固定的凸轮槽内按设计的运动轨迹做逆时针运动, 再通过连杆控制伸缩手做复合运动, 在到达与蜘蛛手交接位置时, 伸缩手已伸到最远处, 此时, 伸缩手上的烟槽与轮体上固定烟槽的圆心保持水平, 并使固定烟槽与蜘蛛手吸爪外道烟槽的圆心、伸缩手烟槽与蜘蛛手吸爪内道烟槽的圆心对齐, 此时蜘蛛手的空气负压已提前消失, 而接烟轮固定烟槽和伸缩手上的烟槽在空气负压作用下吸附蜘蛛手内外烟道上的烟条, 从而顺利完成烟条的交接过程[9–10]。其中接烟轮轮体和伸缩手为烟支规格变换件, 其尺寸需要根据烟支规格的变化而改变。

1—接烟轮, 2—蜘蛛手, 3—烟条, 4—伸缩手, 5—固定烟槽

2 规格件设计

2.1 轮体设计

采用CREO软件参数化设计, 得到接烟轮轮体模型(图2), 轮体是一个长124 mm、直径为334 mm、表面镂空和打孔的复杂中空圆柱体, 外圆上有14个半圆弧承烟槽, 每个烟槽中有4个气孔将负压导入吸风槽。

a—负压孔直径; b1—吸风槽宽度; c—承烟槽的圆弧半径; L1—吸风槽长度; L2—两个吸风槽间距; m、n—承烟槽两边弧长; e—负压孔圆心与承烟槽圆心偏心距

当烟支规格变成细支卷烟(烟支直径= 5.4 mm)时, 接烟轮体的设计要从3个方面考虑:

(1) 保证双倍长细支烟条顺利交接和传送。要实现细支烟条在鼓轮上的顺利交接, 则细支烟条的交接位置中心与常规烟条的交接位置中心要一致, 即承烟槽圆弧中心位置不变, 所以可以根据细支烟条5.4 mm来确定承烟槽的圆弧半径的大小;

(2) 烟支在接烟轮上不能产生条形痕迹。当承烟槽某一边的圆弧面过窄时, 很容易在负压空气的作用下将烟条压出条形皱纹, 根据经验值, 承烟槽两边的弧长应近似相等, 且弧长不应低于1 mm, 即≈≥ 1.0 mm。通过creo软件建模, 可以确定偏心距, 使≈，为保证两侧弧长不低于1 mm, 则吸风槽宽度1≤ 2.6mm;

(3) 接烟轮体的负压配置。轮体设计的关键点是负压配置, 鼓轮上负压气孔直径、吸风槽的长1与宽b、两个吸风槽间距2是鼓轮结构设计的关键。负压气孔的面积影响负压流量, 而吸风槽的宽度b与长度L又影响吸风作用在烟支表面的面积, 吸力过大会把细支烟吸弯, 吸力过小则会导致高速交接不稳的故障, 出现飞烟。两个吸风槽还应保持一定间距, 否则烟条中段支撑面过小, 会出现烟条变形。所以当烟支规格由常规卷烟变为细支卷烟时,1和2尺寸参照常规烟设计保持不变, 为保证蜘蛛手与接烟轮高速交接顺利, 负压槽的宽度要与蜘蛛手的吸爪吸风槽变化一致, 所以1= 2.5 mm, 负压孔直径=2.5 mm。

可以算出轮体烟槽上负压孔总面积轮体= 4π(/2)2= 19.6 mm2。式中:轮体为轮体烟槽上负压孔总面积, mm2;为轮体负压孔直径,2.5mm。

2.2 伸缩手设计

伸缩手为接烟轮装置一个关键零件, 其设计与加工质量直接影响到高速交接平稳性。伸缩手在工作时需做复合运动, 为了避免与轮体的干涉, 所以结构更加精巧。

当烟支规格变成细支卷烟时, 伸缩手的设计思路与接烟轮的设计思路基本一致。

利用CREO软件参数化设计, 得到伸缩手模型(图3), 烟支交接位置中心不变, 伸缩手上的承烟槽的圆弧中心不变, 根据烟条的直径来确定承烟槽的圆弧半径; 为保证承烟槽两边的圆弧长度基本一致, 即≈≥ 1.0 mm，通过建模确定偏心距, 得到吸风槽宽度2≤ 2.0 mm。

两个吸风槽也应保持一定间距, 以保证烟条被负压空气吸到烟槽上时, 烟条中段有足够的支撑, 避免烟条变形,3和4尺寸依然参照常规烟设计保持不变。

负压配置依然是伸缩手的设计关键, 如图4所示, 伸缩手的负压通道比轮体的负压通道更长更复杂。因为12, 所以在细支规格的设计中, 伸缩手的槽宽度是小于轮体的吸风槽宽度, 为保证伸缩手有足够的负压吸风,2应取最大值, 则22.0 mm。

c—承烟槽的圆弧半径; L3—吸风槽长度; L4—两个吸风槽间距; m、n—承烟槽两边弧长; e—负压孔圆心与承烟槽圆心偏心距

图4 负压气路

负压气孔的面积大小是细支规格伸缩手设计的关键点, 由于负压槽宽度为2.0 mm, 则将负压孔直径最大也只能设计为2.0 mm, 故2.0mm, 为找出最合适的负压孔面积, 设计了4种伸缩手, 见图5所示, A为4个圆孔布局, B为6个圆孔布局, C为8个圆孔布局, D为4个腰圆槽布局。

根据面积计算公式:A= 4π(/2)2= 12.6 mm2;B= 6π(/2)2= 18.8 mm2;C= 8π(/2)2= 25.1 mm2;D= 4π(/2)2+ 4(-) = 22.2 mm2。式中:A、B、C、D分别为A、B、C、D型伸缩手的负压孔总面积, mm2;为伸缩手负压孔直径, mm;为D型伸缩手腰型槽负压孔的长度,= 2.2 mm。

由此可见,A＜B＜轮体＜D＜C。

L3—吸风槽长度; L4—两个吸风槽间距; x—负压孔直径; k—腰型槽负压孔的长度

3 效果验证

为验证设计方案, 对常德烟草机械有限责任公司实验室1组ZJ116A型卷接机组进行细支规格的改进及对比测试。

3.1 试验设计

材料: 直径为5.4 mm的卷烟配套烟丝以及辅料(常德烟草机械有限责任公司提供)。

设备: 1组ZJ116A型卷接机组(常德烟草机械有限责任公司制造)。

方法: 先对ZJ116A型卷接机组进行细支规格改造, 再将细支规格接烟轮安装在ZJ116A型卷接机组上, 再将A型伸缩手、B型伸缩手、C型伸缩手和D型伸缩手依次安装在机组上, 进行4轮对比实验。每轮实验时, 将机组运行速度设定为10 000支/min, 将负压风机转速分别设定为3 500 r/min, 4 000 r/min, 4 500 r/min和5 000 r/min, 连续运行10 min进行对比测试, 并分别记录轮体和伸缩手从蜘蛛手接烟的情况和烟条表面的压痕状况。

3.2 效果分析

由表1到表4可知, 随着负压风机的转速升高, 接烟轮轮体和伸缩手的接烟稳定性越好, 但是烟支表面越容易出现压痕。当转速为3 500 r/min时, 接烟轮轮体出现飞烟的情况, 无法正常交接烟条, 当负压风机转速为4 000 r/min时和4 500 r/min, 轮体能从蜘蛛手稳定接烟, 且烟条表面无压痕, 当转速为5 000 r/min时, 轮体虽然能稳定接烟, 但由于负压过大, 使烟条表面出现压痕。

由表1可知, 在4种负压风机转速下, A型伸缩手在运行过程中均出现飞烟; 由表2可知, B型伸缩手仅在风机转速为5 000 r/min时, 能够稳定接烟; 由表3可知, 在风机转速为4 000 r/min和4 500 r/min时, C型伸缩手能稳定接烟, 且烟条表面无压痕; 由表4可知, 在4 500 r/min转速情况下, D型伸缩手能稳定接烟, 且烟条外观无痕。

4轮对比实验结果表明, 接烟轮体与C型伸缩手组合效果最佳, 在负压风机转速为4 000 r/min 和4 500 r/min情况下, 都能实现稳定接烟, 且烟条外观无压痕, 满足正常运行; 轮体与D型伸缩手组合效果次之, 在负压风机转速为4 500 r/min情况下, 能满足正常运行; 其余两种组合在4种负压风机转速情况下均无法实现正常运行。

表1 A型伸缩手应用情况

续表1

注: 交接不稳的情况下, 烟条表面压痕情况为无, 下同。

表2 B型伸缩手应用情况

表3 C型伸缩手应用情况

表4 D型伸缩手应用情况

4 结论

通过CREO软件设计出能在ZJ116系列卷接机组生产细支卷烟的接烟轮体和4种的伸缩手, 通过预设4组不同负压风机转速以及4种伸缩手, 以卷接机组生产的细支卷烟为对象进行了交叉实验。结果表明: (1) 随着工作负压的升高, 接烟轮轮体和伸缩手的接烟稳定性越好, 但是烟支表面越容易出现压痕。(2) 在4种型号的伸缩手中, 负压孔面积最大的C型伸缩手在不同风机转速的适用性最广且接烟效果最佳。该方法可为其他机型的细支规格设计提供参考。

[1] 王俊, 潘恒乐. 新型链式废烟提升输送装置的研制[J]. 烟草科技, 2019, 52(4): 107–110.

[2] 潘恒乐, 朱强, 邓灿, 等. ZJ116型卷接机组循环风机的改进设计[J]. 烟草科技, 2018, 51(5): 87–91.

[3] 杜坤艳, 康瑛, 孙斌, 等. PROTOS2-2卷接机组烟条分离轮的改进设计[J]. 烟草科技, 2019, 52(5): 100–104.

[4] 冯雄伟, 管坦, 胡淑云. ZJ116A型卷接机组滤棒长度调节装置的改进[J]. 机械管理开发, 2020, 35(4): 4–5, 13.

[5] 刘熙璐, 潘恒乐, 吴名辉. YJ116型卷烟机油润滑系统降温装置的研制[J]. 机械管理开发, 2017, 32(11): 7–8, 14.

[6] 陶韶华. ZJ116型卷接机组水松纸纠偏装置的改进[J]. 机械工程师, 2015(1): 237–238.

[7] 陈锴, 周义民. ZJ116卷接机组梗签含丝率分析与改进[J]. 机械管理开发, 2018, 33(3): 13–14, 68.

[8] 刘斌. 国产化超高速卷接机组电控系统研究[J]. 河南科技, 2017(7): 112–113.

[9] 周长江, 孙银方, 欧育健, 等. 接烟轮凸轮摆杆机构间隙对烟支交接性能的影响研究[J]. 烟草科技, 2014(12): 15–18.

[10] 欧育健, 周长江, 杜国锋. PROTOS2-2蜘蛛手—接烟轮系统建模及交接稳定性研究[J]. 烟草科技, 2014(3): 17–20.

[11] 孙银方. PROTOS2-2烟支交接系统运动学建模与仿真分析[D].长沙: 湖南大学, 2015.

Design of cigarette receiving wheel for high-speed thin cigarette maker

Pan Hengle, Hu Shuyun

(Changde Tobacco Machinery Co Ltd, Changde 415000, China)

A new cigarette receiving wheel which can be used in the production of thin cigarettes was developed to match with ZJ116 series cigarette maker. Creo software was used to design both a cigarette receiving wheel body and four different types of telescopic arms. Effects of different negative pressure fan speed and different types telescopic arms were observed by means of a 4×4 cross-over experiment design which evaluated by the receiving effect on the thin cigarettes. The result showed that: (1) The speed of the negative pressure fan has a great influence on the receiving effect. Within the experimental range, the higher speed, the more stable the cigarette receiving and the easier the cigarette surface to appear indentation. (2) Within four kinds of telescopic arms, the C-type telescopic arm is the most widely applicable and stable at different fan speeds, which reason for larger negative pressure hole area. This method can provide reference for the design of thin cigarette specifications of other models.

the cigarette receiving wheel; telescopic arm; thin cigarette; negative pressure hole

TS 433

A

1672–6146(2021)02–0078–05

10.3969/j.issn.1672–6146.2021.02.016

潘恒乐, panhle@ccdtm.com。

2020–09–18

中国烟草总公司细支卷烟升级创新重大专项项目(技术委托开发合同编号110201801014(XZ-02))。

(责任编校: 刘刚毅)