基于Adams的煙條自動清潔裝置的設計及運動仿真

錢峰，周波，舒夢，王翔，胡林松，吳凱陽，池瀅瀟，陳贊贊

煙草設備

基于Adams的煙條自動清潔裝置的設計及運動仿真

錢峰，周波*，舒夢，王翔，胡林松，吳凱陽，池瀅瀟，陳贊贊

浙江中煙工業有限責任公司，寧波卷煙廠，浙江省寧波市奉化經濟開發區葭浦西路2001號 315504

【】為降低卷接機故障停機時間，提高設備生產效率，設計了一款適用于單通道卷煙設備的煙條自動清潔裝置?！尽吭撗b置采用活動式導煙桿的設計，有效實現煙條輸送通道的自動清理功能，并基于Adams軟件分析了氣缸滑塊與活動導煙桿的運動特征，以及不同工作壓力下活動導煙桿的鎖緊力和沖擊力變化?！尽恳訸J17S型卷煙機為對象進行測試，結果表明：煙條自動清潔裝置安裝后，清理成功率達98.9%，停機清潔時間由32.9 s降低至10.8 s，清潔效率提升67.2%，且不會影響煙支質量?！尽扛倪M后的設備可以有效提高生產效率，減少操作人員勞動強度。

煙條；自動清潔；Adams；運動特征；沖擊

當前，國內主流卷煙機主要有德國HAUNI公司生產的PROTOS卷煙機和國產化卷煙機ZJ17、ZJ112、ZJ116及由上述機型引申開發的新特異機種等[1-3]。而隨著國產煙機技術的不斷成熟，自動化程度不斷提高，對煙機設備的運行穩定性和清潔保養效率提出了更高的要求。近年來不斷有學者針對卷接機組整機及關鍵零部件開展以“降低故障頻次、提高卷接設備運行效率”為目標的諸多研究。杜坤艷等[4]針對PROTOS2-2卷接機組煙條鼓輪無法快速更換不同規格濾嘴的問題，使用擺動盤控制分離輪的分離行程，提高設備柔性化程度及換牌效率；姜冬子等[5]設計一種YJ212接裝機搓板自動清潔裝置，有效降低搓板堵塞造成的停機時間；劉為剛等[6]通過對PROTOS2-2卷接機組搓接鼓輪結構原理進行分析，研制了一款搓接鼓輪自動清潔裝置，顯著減少了搓板堵塞的次數；錢文聰等[7]則對PT70卷煙機運行參數中的小風機參數、回絲量及風室負壓進行優化，提高了設備的穩定性。上述研究均在一定程度上提升了設備運行效率，降低了操作工勞動強度，但對于煙條輸送通道的研究則鮮見報道，僅有姜冬子等[8]注意到停機時SE煙條輸送通道的清潔耗時耗力，通過設計自動清潔裝置，減少ZJ112卷煙機的停機處理時間，但該裝置缺少運動學分析與仿真研究，且只適用于ZJ112卷煙機。為此，本文基于Adams模擬仿真設計了一款適用于單通道卷煙設備的煙條自動清潔裝置，實現卷接設備停機時煙絲、煙條在輸送通道中的自動清潔，以減少停機時的清潔時間，提高設備運行效率。

1 問題分析

YJ17的SE卷制成形機是將符合工藝要求的煙絲束經卷煙紙包裹成條，再進行上膠、熱封、切割。切割后的雙倍長煙支被蜘蛛手機構送入接裝機中完成濾嘴接裝，最終輸出煙支[1, 2]。當卷煙機發生“跑條”時，殘留煙條一般會堵塞在導煙桿、喇叭嘴機構、V型導軌等位置。當喇叭嘴機構和V型導軌出現堵塞時清理較為容易，只需打開刀頭箱，把堵塞的煙支取下即可。若煙條堵在導煙桿內，則清理時間較長，并且搭口處膠水會形成膠垢附著在微波檢測器和導煙桿腔內時，清潔更加麻煩，需要使用專用的細毛刷把留在導煙桿腔體內的斷裂煙條捅出，并清理膠垢，斷裂煙條需要從導煙桿末端和喇叭嘴中間的間隙中取出，操作起來費時費力，嚴重影響設備運行效率。

圖1 煙條堵塞示意圖

2 結構設計

2.1 結構組成

煙條通道自動清潔裝置主要由機體連接件1、安裝座2、固定導煙桿3、活動導煙桿4、調節套筒固定座5、調節套筒活動座6、氣缸連桿7、氣缸滑塊8、氣缸9等組成，如圖2所示。自動清潔裝置安裝在安裝座上，而安裝座通過螺栓與微波檢測裝置固定，使用不同的安裝座，就可以安裝在不同的卷煙機上，即裝即用。氣缸9內的氣缸活塞帶動氣缸滑塊8上下移動，氣缸滑塊8上連有氣缸連桿7，連桿另一端連接活動導煙桿4，四者共同作用完成煙條輸送通道的開閉與鎖緊功能。調節套筒固定座5和調節套筒活動座6分別與固定導煙桿3和活動導煙桿4固定，且零件上面有開槽，通過調整螺釘進行緊固。微調時可改變調整螺釘的位置使調節套筒活動座6和調節套筒固定座5徑向移動，確保煙條能順暢進入喇叭嘴結構完成切割。安裝座2和固定導煙桿3上分別有通氣孔，用于連接氣管。

當設備因“跑條”停機時，無需打開刀頭防護罩，在自動清潔狀態下，氣缸9直接工作，帶動活動導煙桿4向下打開。同時壓縮空氣從氣管進入安裝座2和固定導煙桿3上的通氣孔中進行吹風，將固定導煙桿上堵塞的煙條吹落，重復動作3次完成清潔。與姜冬子[8]設計的煙條輸送通道自動清潔裝置采用切刀切斷堵塞煙條的方式相比，本裝置設計了可自由開閉的活動導煙桿，堵塞的煙條在活動導煙桿4打開后更易吹落，適配性更強。

注：1.機體連接件；2.安裝座；3.固定導煙桿；4.活動導煙桿；5.調節套筒固定座；6.調節套筒活動座；7.氣缸連桿；8.氣缸滑塊；9.氣缸。

2.2 機構行程函數計算

將煙條自動清潔裝置簡化為偏置曲柄滑塊機構[9-11]，如圖3所示。偏置曲柄滑塊機構可以將運動形式從直線位移轉變為轉動，同時擁有急回特性。為計算曲柄運動函數，以o為原點，建立xoy坐標系，為簡化計算，設曲柄ao=1，連桿ab=2，曲柄與x軸夾角設為𝜃，連桿與滑塊水平方向夾角設為，偏心距設為。

圖3 偏置曲柄滑塊機構示意圖

首先計算曲柄位移函數，其中滑塊的位移函數為：

機構在y方向的幾何關系：

由此可得曲柄的角度函數：

計算曲柄ao的速度，將式（1）對時間進行求導：

將式（2）兩邊對時間t求導，整理得到：

曲柄旋轉角速度：

將式（5）、（6）代入式（2），得

得曲柄角速度函數：

以上公式中，可以發現曲柄的角度函數與偏心距、曲柄長度1、連桿長度2、連桿與水平方向夾角有關，曲柄的角速度函數與滑塊速度、曲柄長度1、連桿與水平方向夾角、曲柄與x軸的夾角𝜃有關。因此，在偏心距、曲柄長度和連桿長度已知的情況下，曲柄的角度函數與角速度函數僅受曲柄與x軸的夾角𝜃及連桿與水平方向夾角影響。經測算，偏心距= 18.2 mm，曲柄長度123.5 mm，連桿長度223 mm。

3 模擬仿真

煙條自動清潔裝置在工作時要求鎖緊效果良好，啟停時沖擊力較低，因此需要通過仿真分析確定氣缸的最佳工作壓力范圍?；赟olidworks與Adams軟件對煙條自動清潔裝置進行虛擬樣機仿真，主要分為三大步驟：模型簡化；定義材料、約束與驅動；仿真結果分析比較[12]。

3.1 模型簡化

采用Solidworks對煙條自動清潔裝置進行建模，設置長度單位、重量單位、時間單位為毫米、千克、秒（mm、kg、s）。此外，在零件裝配時，考慮到在后期Adams軟件中需要分析幾個構件之間的相對運動和相對位置關系，故在Solidworks中，將螺釘、鉸鏈、銷等連接件省去，各個零件之間直接使用配合關系，包括同軸心、面重合等配合，簡化模型結構，為后續仿真做好準備[13-14]。

3.2 模型定義

將前處理完成后的模型另存為x_t.格式，在Adams中打開，并在Render mode渲染模式中選擇Shaded模式進行預覽。同時注意單位選擇與Solidworks中保持一致。由于該裝置在工作中受到重力的影響較小，故設置重力加速度為0，最后為模型賦予材料屬性，在省去多余連接件與固定螺栓的情況下，所有零件材料均選擇為普通碳素結構鋼[15]。

Adams主要依靠運動副來約束物體的位移或轉動，主要包括移動副、轉動副、平面副、圓柱副、固定副等。工作過程中，固定導煙桿與調節套筒固定座用連接螺釘進行固定，兩者的運動情況完全相同，故對兩者使用布爾加運算進行連接，活動導煙桿與調節套筒活動座的連接也使用同樣方法。如圖4所示，該裝置共有5個固定副，3個轉動副，1個移動副。此外，由于要確定氣缸進氣時，活動導煙桿對固定導煙桿沖

圖4 仿真模型約束添加示意圖

擊力的大小，對活動導煙桿和固定導煙桿之間添加接觸副，接觸類型為鋼（Dry）對鋼（Dry）接觸參數如下：

剛度系數Stiffness=1.0×105

力指數Force exponent=1.5

阻尼系數Damping=50.0

滲透深度Penetration depth=0.1[16]

在確定驅動添加類型時，需要確定氣缸的運動情況，驅動可分為兩類，一類為添加力，表現形式為加速度；另一類為直接添加速度，添加位置為氣缸活塞底面中心處，考慮到運動的真實情況，在氣缸底面中心處添加集中力，方向與氣缸動作方向相同[17]。

根據氣缸選型，氣缸內徑為10 mm，單動型氣缸，工作壓強為0.1～1 MPa，速度范圍30～500 mm/s。為確定合適的氣缸工作壓強，取氣缸工作壓強范圍0.1～0.5 MPa，換算為活塞底部驅動力范圍為8～40 N，不同的驅動力進行仿真，仿真內容分別為活動導煙桿及氣缸活塞的行程、活動導煙桿工作時的鎖緊力、活動導煙桿動作時與固定導煙桿首次接觸的沖擊力。

3.3 結果分析

3.3.1 活動導煙桿及氣缸活塞的行程曲線

對模型進行仿真試驗，仿真時間0.1 s，氣缸驅動力25 N，結果如圖5、6所示，活動導煙桿運動時間與氣缸動作時間與一致，活動導煙桿從起始到鎖緊位置的總行程為8.5 mm，氣缸活塞動作位移為6.5 mm，符合上文公式要求。

圖5 活動導煙桿的位移曲線（氣缸驅動力25 N）

3.3.2 活動導煙桿工作時的鎖緊力曲線

活動導煙桿的鎖緊力曲線如圖7、8所示，活動導煙桿鎖緊力大小隨氣缸驅動力的增加而增大。氣缸驅動力為10 N時，對應的平均鎖緊力為15 N，鎖緊力較小且波動頻繁，鎖緊效果不好。當氣缸驅動力為25 N時，平均鎖緊力為40 N，且鎖緊力波動頻次顯著減少，鎖緊效果更佳。

圖7 活動導煙桿的鎖緊力(氣缸驅動力10 N)

圖8 活動導煙桿的鎖緊力(氣缸驅動力25 N)

3.3.3 活動導煙桿工作時的沖擊力分析

活動導煙桿的沖擊力曲線如圖9、圖10所示。隨著氣缸驅動力的增加，活動導煙桿從動作到與固定導煙桿首次接觸時的時間不斷提前，氣缸驅動力為25 N時，首次接觸時間為0.12 s，驅動力為40 N時，首次接觸時間提前到0.09 s，動作時間減少，符合實際情況。

氣缸驅動力為40 N時，活動導煙桿受到沖擊力最大為110 N，穩定值為63 N。當驅動力降低至25 N時，沖擊力最大為59 N，穩定值為40 N，沖擊力最大值大幅下降，但仍有良好的鎖緊效果。在首次沖擊后，沖擊力逐漸轉變為鎖緊力，大小與3.3.2相符，仿真結果準確。

圖9 活動導煙桿的沖擊力(氣缸驅動力25 N)

圖10 活動導煙桿的沖擊力(氣缸驅動力40 N)

綜上可得，既要保證氣缸有較好的鎖緊效果，又要適當減少沖擊，氣缸工作壓力范圍應當控制在0.25～0.3 MPa之間。

4 應用效果

4.1 試驗設計

材料：“利群（夜西湖）”牌卷煙（由浙江中煙工業有限責任公司寧波卷煙廠提供）

設備：ZJ17S卷接機組（常德煙草機械有限責任公司）

方法：①改進前后每10 min取樣一次，連續取樣10次，每次取樣200支，根據GB5606.3—2005《卷煙包裝、卷制技術要求及貯運》系列國家標準[18]對煙支外觀質量和物理指標進行檢驗，計算煙支合格率；②統計改進后的15個工作日內的“跑條”次數，利用自動清潔裝置清潔成功次數以及是否需要專用工具；③統計改進前后15個工作日內設備因“跑條”產生的累計停機處理時間，計算平均處理時間進行對比。

4.2 數據分析

由表1可得，改進前后煙支外觀合格率分別為99.85%、99.9%，物測合格率分別為99.8%、99.85%，均滿足工藝要求，即煙條自動清潔裝置不會影響煙支質量。

由表2可得，在改進后的15個工作日內，因“跑條”產生的停機次數為445次，其中利用煙條自動清潔裝置清理成功次數為440次，清理成功率達98.9%，且清理時均未使用工具。

由表3可得，改進后因“跑條”產生的平均停機處理時間由32.9 s降低至10.8 s，清潔效率提升67.2%，有效提高了設備運行效率，降低了操作人員勞動強度。

表1 改進前后取樣煙支質量測試對比

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

表2 改進后設備停機清潔數據表

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

表3 改進前后設備停機清理時間對比

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

5 結論

基于Adams研制了一款適用于單通道卷煙設備的煙條自動清潔裝置，通過活動式導煙桿的設計和虛擬樣機仿真，分析了氣缸滑塊與活動導煙桿的運動特征，以及不同工作壓力下活動導煙桿的鎖緊力和沖擊力變化。以寧波卷煙廠生產的“利群（夜西湖）”牌卷煙為對象進行測試，結果表明：該裝置可實現卷接設備停機時煙絲、煙條在輸送通道中的自動清潔功能，清理成功率達98.9%，清理效率提升67.2%，且不會影響煙支的外觀質量，能有效提升生產效率，降低了操作人員的勞動強度和設備故障發生率。該技術可在ZJ17、ZJ17M、ZJ112等單通道卷接設備上推廣應用。

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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

上海煙草集團有限責任公司科技項目“基于卷煙品牌需求的煙葉外觀分型研究”（K2015-1-044P）

左偉標（1982—），碩士研究生，農藝師，主要從事煙葉生產與質量評價研究，Tel：0550-6679364，Email：hhzzzwb@126.com

蔡憲杰（1973—），Email：caixj@sh.tobacco.com.cn

2021-04-07；

2022-01-14

Corresponding author. Email：2917390218@qq.com

錢峰，周波，舒夢，等.基于Adams的煙條自動清潔裝置的設計及運動仿真[J]. 中國煙草學報，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