宋 柳， 王 磊， 陈继堂， 程 潮

（北京航天试验技术研究所， 北京 100074）

0 引言

近年来， 我国烟草行业的发展取得了举世瞩目的成就。据调查，我国的卷烟以及烟叶产量已经达到了世界第一的水平。此外，卷烟的生产以及加工工艺技术也取得了突破性的进展。但随着居民生活水平的提高，卷烟的消费需求也越来越多元化。 随着卷烟在“减焦降害”方面的不断发展，传统香烟的烟味变淡，香气不足，劲头变小。这时在卷烟中添加香精香料，不仅可以起到减焦降害的作用，也可以极大地改善香烟的口味。此外，随着生活水平的不断提高， 人们对卷烟的香味以及吃味提出了多种多样的要求。 这也对作为卷烟中的主要的添加成分的香精香料提出了多样化的生产需求。 2009 年，中国国家烟草专卖局启动了卷烟增香保润重大专项， 提出提高卷烟物理保润性能、 新型香料开发应用和加香加料提高烟叶使用价值三大关键研究领域， 目前在香精香料的调配使用等领域取得了较好的发展效果。

而随着烟用香精香料添加工艺的不断发展， 在卷烟的生产制造过程中，香精香料的需求量也在不断的增加，这就对香精香料的生产能力提出了严格的要求。 烟用香精作为卷烟的关键组成成分， 在卷烟产品中起到风格塑造及矫味增香的作用， 相应的烟用香精调配生产工艺在卷烟的制造过程中也作为其中重要的组成部分被不断的改进以及优化。

针对香精香料的自动化生产需求， 某厂提出了烟叶提取物调配线项目。 该项目对标国内最先进的移动穿梭车配料工艺与桁架机器人自动上料工艺， 同时引进自动堆码垛系统，在设计理念上达到国内先进水平，符合香精香料生产加工中心的生产需求。

1 研究背景

1.1 系统简介

如图1 所示，该调配线系统主要由人工预配料、原料存储区、调配区以及灌装区组成。

图1 调配线三维布局图

其中，人工预配料主要实现香原料的人工预调配。 由于调配线的单次生产总重量为500kg，因此对于质量占比较少的一部分原料自动化下料的效果不理想， 加上有些香原料的组成成分过于复杂，无法通过调配线进行生产。因此，需要通过人工调配区域的小调配罐，将该部分原料调配好，再将调配好的香料送入原料存储区域进行暂存，为这部分原料的调配线二次调配做准备。

原料存储区由72 个原料罐组成，包括 100L 原 料 罐、200L 原 料 罐、300L原料罐以及500L 原料罐。 其主要功能是实现对香精香料原料的暂时存储， 等待下一步的调配。 每个原料罐所具备的功能大致相同，分别为：自动开关盖、自动下料，实时重量显示以及自动搅拌功能。由于原料罐位于二层平台之上，因此原料的自动下料可以通过自身的重力进行，从而将原料加入调配罐进行下一步的调配。

调配区主要由货叉式穿梭车、调配罐、调配工位以及搅拌站组成。通过货叉式穿梭车，将调配罐放置于对应的落料工位上进行下料， 待各种原料按照一定的比例加入后，通过货叉车将调配罐送入搅拌工位进行搅拌，搅拌完成后送入灌装工位进行灌装。 该区域主要功能是控制调配罐在不同的工位之间的流转。

灌装区主要由灌装机、码垛机器人以及托盘输送机组成。 送入灌装工位的调配罐，通过管道与灌装机的灌装口进行连接。 当一批次的香料调配完成后，通过灌装机进行灌装，再由托盘输送机输送对应的托盘，码垛机器人进行码垛，完成一批的码垛后，可将调配好的香料送入库房。

在整个调配线的工艺流程中， 自动上料工艺是调配工艺的主要组成部分， 通过桁架机器人将原料桶运送至对应罐体附近， 通过桁架机器人的运动实现原料的倒料功能。在整个过程中，原料罐手孔盖自动开关功能的稳定性直接影响了整个工艺系统的稳定性， 对整个系统的流畅运转起到了不小的作用。因此，在整个系统的优化过程中，有必要对原料罐开关盖的结构进行优化改进，以提高设备的稳定性。

1.2 问题概述

在传统的设计中，原料罐的自动开盖机构往往采用气缸带动手孔盖的方式进行手孔盖的自动开关，见图2。 手孔盖的手柄在气缸的推动下，绕转轴转动，手孔盖被打开。通过控制气缸的动作，即可实现手孔盖的自动开启或者关闭。 此外，手孔盖在关闭状态下，由于气缸的拉力作用，其处于锁死的状态，保证罐体具备一定的密封性。

图2 原料罐开盖机构示意图

原料罐的调试过程中发现，在手孔盖关闭的过程中，原料罐手孔盖非常容易出现卡滞的情况。 见图3，在关盖过程中，手孔盖与手柄的角度会产生变化，导致手孔盖刚好以一定的角度卡在罐口的位置，无法保证手孔盖与罐口之间无法密封。这种现象会导致香料与外界的密封不完整，香料气味溢出，不符合香精香料的生产要求。 同时，开盖过程中，也会出现死点位置，导致手孔盖不能打开，开盖失败。而在实际上料的过程中，该机构开关与上料工艺之间的联系较为紧密，因此，该自动开关盖机构的稳定开关对加注工艺的稳定性具有较大的影响。

图3 原料罐卡盖问题示意图

另一方面， 由于该生产线中的原料罐共有72 个，其数目较多，若要对原料罐的开关盖进行重新设计，必然会带来成本的大规模增加。因此，为了解决原料罐手孔盖的卡滞问题，必须对原有的开关盖机构进行优化设计。

2 优化方案

2.1 问题分析

通过对调配线现场的每个原料罐均进行开关盖的试验，并观察每个原料罐手孔盖关闭的过程中发生的现象。经过试验发现， 原料罐在关盖过程中是通过手柄转动的方式进行关闭，因此在关闭过程中，手孔盖不同位置所受到的阻力不同，此时在手孔盖上会产生一定大小的力矩，导致手孔盖发生绕中心点的偏移， 进而手孔盖与手柄之间会存在一定的夹角，无法完全关闭该手孔盖，导致开关盖机构产生卡滞。

2.2 理论分析

通过研究发现，在发生“卡盖”现象的时候，手孔盖与手孔之间总会沿手孔盖的对称轴呈现出一定的夹角。 因此，在进行计算时，考虑到手孔盖的对称性，可将手孔盖看作一个杆状物体， 从而将其受力模型简化在一个平面上，见图4，即为原料罐的手孔盖关闭过程的模型。

图4 手孔盖关闭过程受力模型

考虑到手孔盖的运动速度较小， 可将空气阻力的大小看作与物体运动的速度成反比。 即手孔盖所受的空气阻力为：

其中：f—手孔盖所受的空气阻力；k—空气阻力系数；ν—物体运动的线速度。

而手孔盖在运动时，不同部位的速度不同，即：

其中：r—转动半径。

因此可以得出不同部位所受空气阻力为：

由此可以得出，手孔盖绕其自身的转动力矩为：

其中：L—转动手柄的长度

经过计算可知，T>0。 因此，可以认为，手孔盖在开关盖过程中很难保持原有与力臂的水平状态。 在受到阻力的情况下，手孔盖与手柄之间会发生偏移，从而导致开关盖卡滞的情况。

2.3 方案设计

根据现场观察及理论分析的结果， 预计共有两种方案可以解决对应的问题。 一种是增加盖前端配重，另一种是采用弹簧的方式。并分别针对两种方案进行了验证。具体实施参数如下：

2.3.1 增加手孔盖前端配重

如图5 所示，在手孔盖的前端位置，远离气缸的一段上焊上一块重物块以平衡手孔盖所受到的不平衡的空气阻力。 为了验证该方案的有效性，采用实验的方式对该方案进行评价。

图5 配重块方案示意图

实验中，采用选取厚度10mm，宽度30mm 的不锈钢窄条，制作了不同的配重块，配重块点焊在手孔盖前端。通过程序控制气缸的开关， 对不同配重块的情况分别进行记录，实验过程中，共计开关30 次，开关频率为0.5Hz。得到的在不同配重重量下手孔盖的卡滞次数见表1。

表1 配重块实验数据表

通过配重块实验的实验数据可以明显看出， 随着配重块质量增加，手孔盖卡滞情况明显减轻，但由于手孔盖较小， 增加较大的配重块并不能完全适配每一种储罐的手孔盖，另外，采用配重块的方式，需要采用焊接的方式，加上配重块本身较大，严重影响了储罐罐体的美观情况。因此， 该种添加配重块的方案不适用于目前所面临的情况。 尽管如此，在后续罐体的设计过程中，仍然可以采用该方案。 为了增加罐体的美观性，可以考虑在后期类似罐体中，在手孔盖前端内部设计类似的配重块，这样一来也可以有效地提高开关盖的成功率。

2.3.2 在手孔盖末端增加弹簧

通过在曲柄与手孔盖之间增加弹簧的方式， 在手孔盖下落以及提起时使手孔盖尽可能保持稳定的位置，见图6， 在手柄以及手孔盖靠近气缸的位置设置安装孔，通过不同的弹簧连接手柄以及手孔盖， 保证在手孔盖的开关过程中，阻力产生的力矩与弹簧提供的力矩相平衡。

图6 弹簧块方案示意图

此外， 经过现场测量手柄与手孔盖之间的距离， 选取长度为60mm 长的弹簧能够适应每个不同罐体的手孔盖以及手柄之间的连接。 接下来，将不同组的手孔盖以及手柄之间加上不同尺寸的弹簧， 记录不同弹簧情况下，手孔盖的卡滞情况以及卡滞次数。 得到的数据见表2。

表2 弹簧试验数据表

通过测试数据可以看出：在不同的测试情况下，当弹簧的相对尺寸较小时， 弹簧拉力不足以阻止手孔盖的转动，进而仍然会发生卡滞现象；而当弹簧尺寸增大时，弹簧的卡滞次数开始减少，此时弹簧的弹力较为理想；当弹簧的尺寸过大时，弹簧反而会出现卡滞现象。 通过观察不同尺寸弹簧下的卡滞现象，经过分析可知：此时由于弹簧本身会与支撑柱出现一定概率的卡滞， 气缸的旋转力度不足以拉动卡滞状态下的弹簧。 进而导致开关盖机构出现卡滞现象。 综合以上情况选取， 选择0.8mm×10mm×60mm 尺寸的弹簧较为合适。

2.3.3 重复性试验

针对整个调配线生产而言， 现场需要将上述解决方案推广到至少72 个，五组不同的原料罐，为了尽可能保障稳定性，除了上述的手孔盖开关试验外，还需对弹簧的尺寸， 即0.8mm×10mm×60mm 的尺寸的弹簧进行重复性试验。 将目标尺寸的弹簧，利用连接件焊接在不同尺寸大小的手孔盖上，通过对该装置连续进行开关，进行重复性试验。 本次重复性试验的试验次数为开关盖500 次。

如表3 所示，经过500 次试验，开关盖装置出现卡滞的次数仅有一次。因此，可以确认当前尺寸的弹簧能够符合要求，在手孔盖与手柄之间加弹簧的方案符合要求。

表3 开关盖试验记录表

2.3.4 方案效果图

经过加装弹簧，得到的手孔盖开关装置效果，见图7。经过不断试验后可以得出结论：加装弹簧后，手孔盖在开关过程中的卡滞现象得到明显的改善。 该项改进也为实现调配线的全自动生产起到了极大的推动作用： 经过改进后的自动开关盖机构， 能够完全适应香精香料调配生产中对于原料的自动加注设计， 可以极大地减少香精香料调配生产中人力的使用， 可以有效地提高香精香料的调配产量。

图7 现场改进图

3 研究成果应用情况

本次针对于自动开关盖机构的改进主要应用于某厂香精香料调配线，目前使用效果良好稳定，成功解决了原料罐开关盖卡滞问题。随着自动开关盖问题的解决，该项改进将作为调配线原料罐的标准配置， 推广至后续所有的自动加料调配线以及含有自动开关盖机构的各类罐体内，用以提高调配生产线的自动化水平。 另一方面，该设计方案的成功，也为目前涉及到自动开关盖功能的储罐：包含提取罐、浸渍罐等多种罐体提供参考。这也为后续各类香原料生产线的自动化生产技术的改进， 提供了有力的支持。

4 结论

本项目通过对原料罐开关机构工作过程的反复论证及试验，对原料罐的自动开关机构进行了改进，得出使用0.8mm×10mm×60mm 的连接弹簧可以有效地解决原料罐在开关盖过程中的卡滞问题。 目前，该项改进设计已经推广至调配线的全部原料罐中，并作为后续调配线设计的标准配置加以利用。 未来，这种开关机构将应用在不同的罐体设计中， 进而推动化工生产过程中的全自动化生产。