王偉勇
摘要：G．DX500軟盒包裝機在運行過程中存在鋁箔紙懸浮輥磨損過快的問題，磨損后的懸浮輥會造成輸送過程中的鋁箔紙被磨損出的凹槽卡住，使懸浮輥失去有效的懸浮對中功能。為確保設(shè)備正常生產(chǎn)，對懸浮輥表面進行特殊處理等改造，在有效的工作狀態(tài)下合理分布氣腔、連接氣孔、噴射氣孔，減少壓縮空氣的耗用量，增加了懸浮輥的使用壽命。
關(guān)鍵詞：鋁箔紙懸浮輥 表面特殊處理 氣腔 連接氣孔 噴射氣孔 合理分布
上海煙草（集團）公司上海卷煙廠新引進的G．DX500包裝機與早期引進的G．DX500包裝機在局部設(shè)計上存有差異，制造公司在鋁箔紙輸送線上作了新的改進。主機鋁箔紙輸送線上的旋轉(zhuǎn)式導向輸送輥改換成了常吹風固定式的懸浮輥裝置，同時其配套的氣路也做了相應布局。作為產(chǎn)品使用方，設(shè)備剛投入運行時，由于鋁箔紙懸浮輥表面磨損小，鋁箔紙輸送故障不明顯。但隨著運行時間的增加，懸浮輥表面磨損并產(chǎn)生一定深度的凹槽，使鋁箔紙邊緣被卡住，失去懸浮漂移的對中作用，造成鋁箔紙下紙偏移，從而影響產(chǎn)品的包裝質(zhì)量。經(jīng)過對懸浮輥裝置的深人研究，提出了解決方案并予以實施，現(xiàn)在生產(chǎn)中已得到驗證。
一、G．DX500包裝機鋁箔紙懸浮下紙原理
1.鋁箔紙下紙原理
卷筒鋁箔紙經(jīng)過展開輸送進入圖1中的懸浮輥、止退橡膠輥、導向輸送輥及壓線輸送輥組件，隨后進行鋁箔紙的定長裁切和煙包鋁箔紙的折疊包裹。
鋁箔紙在進入懸浮輥時被噴射出的氣流托起，并在懸浮輥兩側(cè)擋紙圈的作用下快速自由漂移，這樣鋁箔紙在進入二號輪包裝時，能夠與二號輪上的模盒在長度方向自動快速對中，確保煙包包裹的鋁箔紙頂部與底部露出端長度相等。鋁箔紙下紙原理見圖1。
圖1 鋁箔紙下紙原理
2.懸浮輥氣流懸浮原理
輸入的壓縮空氣經(jīng)懸浮輥圓周表面的局部噴氣孔噴射出氣流層，使包裹在懸浮輥圓周表面的鋁箔紙被氣墊騰空托起，鋁箔紙在懸浮輥表面包裹角度為185°（鋁箔紙在懸浮輥輸入點和輸出點的夾角）。由于鋁箔紙在正常輸送時和懸浮輥表面相隔一層壓力氣流層，鋁箔紙與懸浮輥表面幾乎沒有摩擦產(chǎn)生，所以該懸浮輥在正常運行時能使鋁箔紙自由快速糾偏，確保鋁箔紙輸送位置正確，達到包裝技術(shù)要求。
3.懸浮輥的結(jié)構(gòu)組成和工作原理
懸浮輥裝置的結(jié)構(gòu)是由懸浮輥筒體、單向節(jié)流閥、輸入氣管、兩側(cè)擋紙圈和支架及鎖緊螺母等組成。
懸浮輥內(nèi)部是一個直接與表面噴射氣孔相連接的供氣腔。鋁箔紙在懸浮輥前的展開輸送，均沒有偏移校正要求，但輸送至懸浮輥處時需快速完成糾偏。由于鋁箔紙和懸浮輥表面不接觸，不像傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)式輸送輥，在導向輸送鋁箔紙時主要靠滾體內(nèi)兩端的傳動軸承同步旋轉(zhuǎn)輸送，鋁箔紙在改變180°方向后繼續(xù)輸送，因其包裹角的接觸面較大、產(chǎn)生的摩擦力較大，所以不容易快速糾偏到位，如圖2所示。其間相隔有氣流層，表面摩擦力很小，能快速有效漂移，如圖3所示。
圖2 旋轉(zhuǎn)式輸送輥  圖3 未改進的懸浮輥
二、懸浮輥裝置影響設(shè)備運行分析
1.懸浮輥磨損因素分析
鋁箔紙是包裹在懸浮輥圓周表面185°進行工作的，滾筒上布有噴射氣孔為鋁箔紙懸浮供氣，此懸浮輥設(shè)計是固定不轉(zhuǎn)動的，懸浮輥表面經(jīng)過耐磨的陽極硬氧化特殊處理，具有一定的耐磨性。由于懸浮輥表面的噴射氣孔分布在包裹角面90°范圍內(nèi)，而鋁箔紙的包裹角面為180°，致使噴射出的氣流層覆蓋面不均勻，影響懸浮效果。又因為懸浮輥內(nèi)部是一個直接與表面噴射氣孔相連接的供氣腔，懸浮輥表面的鋁箔紙在被懸浮托起時，對懸浮輥內(nèi)腔的噴射氣流直接壓迫，造成噴射氣流的壓力交替變化，內(nèi)腔的氣流壓力釋放不均衡。靠近氣流輸入端的噴射氣孔噴射出的氣流壓力較大，此處托起的鋁箔紙與懸浮輥表面間距相對恒定；遠離氣流輸入端的噴射氣流壓力減小，托起鋁箔紙的作用力變化大，導致鋁箔紙與懸浮輥表面之間的間隙有變化，鋁箔紙不能被完全托離懸浮輥表面，在局部和懸浮輥表面容易產(chǎn)生高速摩擦，懸浮輥表面特殊處理層一旦被磨損，其內(nèi)在鋁合金體將會被加劇磨損，縮短使用壽命。據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)統(tǒng)計：開始運行1個月的時間內(nèi)懸浮輥表面磨損范圍在0.1mm～0.2mm，而隨設(shè)備運行時間的增加，磨損的速度加快，3個月左右其磨損范圍就會增大到0.5mm～1.0mm，這時會出現(xiàn)輸送的鋁箔紙嵌入懸浮輥磨損后產(chǎn)生的凹槽內(nèi)，無法自由偏移，懸浮輥失去懸浮鋁箔紙快速調(diào)節(jié)的功能。
在現(xiàn)場對設(shè)備運行狀況進行仔細觀察后發(fā)現(xiàn)：一旦懸浮輥表面兩端起凹槽卡住鋁箔紙，失去快速糾偏功能，操作工為維持設(shè)備運行，只能靠增大噴射氣流量，提高鋁箔紙被托起的高度來避免槽口限制，解決鋁箔紙不能自由對中的問題。但在調(diào)大懸浮輥噴射氣流量時，勢必會造成機器系統(tǒng)所用的氣流量大量流失，嚴重時會造成設(shè)備停機。磨損的懸浮輥如圖4所示。
圖4 磨損后懸浮輥
2.設(shè)備氣路分配合理性分析
經(jīng)過對設(shè)備實際使用的氣路分布觀察后發(fā)現(xiàn)：
�。�1）設(shè)備上的氣缸、換向閥氣動元件均是不常泄漏件，氣壓相對穩(wěn)定，將其供應的氣流和懸浮輥所需氣流分隔開來。
（2）懸浮輥則是常泄漏件，其所用的懸浮噴射氣流必須具有穩(wěn)定的流量，才能確保鋁箔紙被有效懸浮托起。不然，噴射氣流量過大會間接影響設(shè)備整個氣路系統(tǒng)內(nèi)在氣壓的穩(wěn)定性。
3.懸浮輥氣腔、噴射氣孔布局合理性分析
（1）懸浮輥表面的噴射氣孔分布在包裹角面90°范圍內(nèi)，容易造成懸浮氣流層覆蓋面不均勻，影響氣流層對鋁箔紙的懸浮效果。
�。�2）氣流輸入至懸浮輥氣腔內(nèi)時，因內(nèi)腔直接與噴射氣孔相連接，噴射出的氣流層沒有間接緩沖區(qū)過渡，在受到懸浮輥表面進行輸送的鋁箔紙壓迫后，容易導致內(nèi)腔與噴射口端的氣流壓力交替變化引起的波動；又因氣流輸入端和各噴射氣孔距離不一，造成噴射出的氣流層在壓力瞬間釋放減小程度不一，瞬間受壓迫增壓程度也不一，懸浮輥表面局部懸浮間隙不一，影響氣流層懸浮效果。
三、懸浮輥裝置改進方案及實施
1.懸浮輥裝置的改進方案
根據(jù)對故障產(chǎn)生的原因分析認為，只有控制好鋁箔紙與懸浮輥表面懸浮氣流層的均衡性及懸浮輥表面的粗糙度和耐磨性，才能實現(xiàn)懸浮輥自由快速的糾偏功能，增加懸浮輥的使用壽命，滿足設(shè)備正常生產(chǎn)所需要的技術(shù)要求。具體的改進方案從以下幾個方面進行。
一是提高懸浮輥表面的耐磨性。懸浮輥是新設(shè)備中比較有創(chuàng)意的構(gòu)件，為了提高懸浮輥表面的耐磨性，根據(jù)懸浮輥的工作原理，我們在懸浮輥表面進行表層耐磨陶瓷的噴涂處理，鋁箔紙懸浮在二分之一懸浮輥表面上，雖有微量的間隙層，但是鋁箔紙在懸浮輸送時，噴射的氣流層因瞬間釋放壓力后又受鋁箔紙壓迫而增壓，噴射出的氣流層因氣體可縮性因素的影響，懸浮氣流層壓力會有交替變化的現(xiàn)象，鋁箔紙與懸浮輥表面難免會有瞬間的輕微接觸，有高粗糙度和耐磨的陶瓷層保護，可以確保鋁箔紙與懸浮棍表面之間的磨擦力極小，增加懸浮輥的使用壽命，如圖5所示。
二是設(shè)計活動風塞使懸浮輥適應不同包裹角面并能多次使用。鋁箔紙在懸浮輥上輸送時，只有二分之一包裹線得到充分使用，而另一半是根本得不到使用的。通過對設(shè)備現(xiàn)場觀察，磨損面主要在鋁箔紙包裹懸浮輥的輸入點和輸出點附近。根據(jù)增加懸浮輥使用壽命的要求，如圖6所示，在懸浮輥氣腔中加入一個可旋轉(zhuǎn)的活動風塞，來適時改變磨損角度，從而達到可多次使用的效果。對于風塞設(shè)計，按照安裝方便，精確定位的原則，設(shè)計成一個圓柱齒形的鋁合金體，同時為適應不同包裹角度的使用要求，將噴射氣孔設(shè)計成360°周長上均布，使用時把不需要出氣的連接氣孔進行阻室，然后組裝于一體，從而確保懸浮輥的使用包裹角面。如懸浮輥包裹角面磨損了，可把懸浮輥轉(zhuǎn)一個角度，避開切入點與輸出點，選擇懸浮輥的另一個沒磨損面重新使用，為此利用可旋轉(zhuǎn)的活動風塞來控制懸浮輥的多次使用。
圖5 懸浮輥表面陶瓷層分布  圖6 懸浮輥組件
懸浮輥噴射氣孔的改進方案：
（1）經(jīng)現(xiàn)場測試，新鋁箔紙紙圈剛被牽引輸出時所需的牽引力為0．31kg。將要用完時的鋁箔紙紙圈剛被牽引輸出時所需的牽引力為0．22kg。因為鋁箔紙在正常輸送時所需的牽引力比剛起步時的牽引力要小，所以取牽引力f1＝0．31kg。
（2）設(shè)懸浮輥表面每個噴射氣孔在鋁箔紙垂直表面的噴射推力為F，如圖7所示，因鋁箔紙牽引力f1和f2相等，且X軸方向的∑Fx＝f1＋f2
圖7 鋁箔紙牽引力與懸浮輥噴射氣推力分布
→ → →
因為∑F＝∑Fx＋∑Fy
第一種排列情況為5－6－5－6－5－6－5－6－5
∑Fx＝FSin22．5°×6×2＋FSin45°×5×2＋FSin67．5°×6×2＋FSin90°×5＝27．746F
∑Fy＝FCos22．5°×6＋FCos45°×5＋FCos67．5°×6＋FCos90°×5－FCos67．5°×6－FCos45°×5-FCos22．5°×6＝0
第二種排列情況為6—5－6—5—6—5－6—5－6
∑Fx＝FSin22．5°×5×2＋FSin45°×6×2＋FSin67．5°×5×2＋FSin90°×6＝27．55F
∑Fy＝FCos22．5°×5＋FCos45°×6＋FCos67．5°×5＋FCos90°×6－FCos67．5°×5－FCos45°×6-FCos22．5°×5＝0
因為∑Fx＝f1＋f2，而f1＝f2
設(shè)備上正常用氣氣壓值不低于4bar
設(shè)噴射氣流壓力值為P＝4bar＝4kg/cm2＝0．04kg/mm2
則鋁箔紙包裹在懸浮輥表面X方向的懸浮合推力∑Fx＝2f1＝2×0.31＝0．62kg
Y方向的懸浮合推力∑Fy＝0
又因為（每個噴射氣孔推力）F＝P（噴射氣流壓力額定值）×S（噴射氣孔面積），所以S＝F／P
第一種排列情況6－5－6－5－6－5－6－5－6
27．746F＝2f1＝0．62，則F＝0．0223kg
S=F／P=0.0223／0．04＝0．5575mm2
第二種排列情況5—6—5—6—5—6—5—6—5
27．55F＝2f1＝0．62，則F＝0．0225kg
S＝F／P=0．0225／0．04＝0．5625mm2
設(shè)懸浮所用噴射氣孔直徑為d
取以上大值S驗證
d2＝4S／л＝4×0．5625／3．14＝0．72，
則d＝0．85mm＜1mm。
根據(jù)以上噴射氣孔的布局，將原懸浮輥噴射孔直徑Ф1．5mm改為Ф1mm合理，改進后噴射氣孔數(shù)量為49／50只。
（3）在確保有足夠懸浮力的前提下，盡量減少噴射氣流，懸浮輥圓周表面的噴射氣孔設(shè)計成交替錯位；在不影響氣流輸送暢通的前提下，確保腔內(nèi)輸入氣流壓力不隨噴射氣流直接輸出而減小的影響，氣腔連接為分層過渡；合理分布連接氣孔，確保噴射在鋁箔紙與懸浮輥之間氣流層均勻。懸浮輥表面上的噴射氣孔直徑改為Ф1mm，布局為9排、5至6交錯列，共計49／50只，鋁箔紙在懸浮輥表面185°包角上懸浮，其噴射氣孔數(shù)量布局合理。如圖5所示，懸浮輥的輸入氣管管徑Ф8mm，懸浮輥表面上的噴射氣孔直徑Ф1mm，9排5／6列共計49／50只噴射小孔。
懸浮輥噴射口的總面積：∑出＝лR2×49＝л×0．52×49＝38．465mm2
或∑出＝лR2×50＝л×0．52×50＝39．25mm2
輸入氣管總面積：∑入＝лR2＝л×42＝50.24mm2
根據(jù)計算∑入＞∑出，故在等壓值范圍，因正常使用時，懸浮輥包角面為185°，噴射出的氣流量小于輸入的氣流量，氣腔內(nèi)部壓力值不會因減小而降低。
2.具體改進措施
�。�1）懸浮輥表面噴射氣孔直徑由1．5mm加工成1mm，改進后的懸浮輥有效噴射口總面積∑出為38．465／39．25mm2。原噴射口總面積∑出＝лR2×24＝л×0.752×24=42.39mm2。改進后的懸浮輥有效噴射氣孔總面積為原來的0．91／0．93倍。
（2）在表面噴涂高耐磨的陶瓷層，更有效地保護懸浮輥表面。
�。�3）封堵掉其余不用的噴射氣孔，確保懸浮輥表面在180°包裹角面上的9排、5／6交錯列，共計49／50只噴射氣孔有效使用，原懸浮輥表面在90°包角面上有4排6列共計24只噴射氣孔，改進后正常懸浮鋁箔紙所用噴射氣孔數(shù)量為原來的2．04／2．08倍。
�。�4）如圖8所示，懸浮輥內(nèi)部氣腔采用了分隔、分層逐次過渡的方法，避免鋁箔紙在懸浮過程中因噴射氣流直接釋放而導致內(nèi)腔局部氣流壓力快速減小的現(xiàn)象，使噴射在鋁箔紙面上的氣流壓力更均勻，更穩(wěn)定。
圖8 改進后懸浮輥
�。�5）內(nèi)部氣腔風塞設(shè)計為可旋轉(zhuǎn)精確定位，確保懸浮輥使用面能多次使用。風塞兩端面配備了標準的“O型”密封圈，防止連接處的氣體泄漏。
�。�6）調(diào)整好兩個擋紙塊的間距，盡量減少鋁箔紙的偏移范圍，減少氣流的邊緣泄漏。
通過對懸浮輥組件的改進，目前懸浮輥的使用壽命大大增加。改進前懸浮輥使用壽命在3個月左右，而改進后懸浮輥單面使用壽命在一年以上，大大降低了維修費用。改進后使用至今的懸浮輥未更換過，表面磨損度極小。目前我廠有兩臺設(shè)備均使用了此懸浮輥，煙包鋁箔紙包裹質(zhì)量得到了保證。
圖9 改進前后使用費用對比表 單位（元）
從圖9可見，2005年23號機臺使用費用下降了90％，2005年24號機臺使用費用下降了92％。
根據(jù)我廠新引進的G．DX500包裝機中鋁箔紙懸浮輥易磨損的實際，進行了現(xiàn)場排摸，并進行了改進，改進后的新懸浮輥先后在兩臺G．DX500包裝機上使用，效果很好。
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