烟草物流立式条烟分拣装置设计及应用

随着卷烟市场化取向改革的推进，卷烟消费市场呈现个性化、差异化、定制化特征，各类异型卷烟不断涌现，品规数日益增加[1]。

由于当前在销异型烟尺寸差异较大（80mm～350mm×80mm～220mm×20mm～120mm)，且品规数不断增加，为满足分拣需要，立式条烟分拣装置的尺寸调节变得十分频繁。

当前，烟草商业系统物流设备的主流供应商，如中烟机械、普天、兰剑等，均采用螺栓紧固式的可调烟仓，但受烟仓结构设计限制，调节一个烟仓的尺寸（长、宽、高）需分别松动和拧紧12颗螺栓，耗时较长[2]。为降低烟仓尺寸调节耗时，部分地市（公司）在烟仓内壁放置固定厚度的磁吸板，并通过调整磁吸板的数量或者通过安装“磁吸板+伸缩组件”来调节烟仓尺寸，该方法虽然能快速调距，但存在只能调节特定距离和磁吸板粘贴不牢等问题[3]。普天物流科技有限公司探索采用“电机+涡轮推块”的方法进行调节，该方式虽然能实现精准调距，但存在成本高、速度慢等问题[4]。新余市烟草专卖局（公司）采用“电机+蜗轮蜗杆”方法进行调距，但也存在成本高、容易撞齿等问题。

为此，本文提出一种新的烟仓尺寸调节方式，以期在降低劳动强度的同时，提高调仓效率和调节精度。

立式条烟分拣装置的烟仓尺寸调节是商业企业物流分拣作业的前序环节，快速精准调整烟仓尺寸对缩短作业总时长、缓解分拣压力至关重要。当前，烟草行业可调式立式条烟分拣装置的烟仓结构大致相同，烟仓尺寸调节的作业流程也十分相似，以普天物流科技有限公司的第三代可调式立式条烟分拣装置为例，其烟仓尺寸调节流程如图1所示。

图1 烟仓尺寸调节流程图

受烟仓结构限制，烟仓尺寸调节涉及的环节较多、耗时较长，尤其是随着异型烟品规数量日益增长，现有的烟仓尺寸调节作业方式已逐渐无法满足企业需要，其中以下问题尤为突显[5]

1.紧固方式过于机械

立式条烟分拣装置结构，如图2所示。当立式条烟分拣装置中的待分拣卷烟的品规发生变化时，须根据新品规的条烟尺寸对烟仓尺寸进行调整，若前后卷烟品规的条烟尺寸差异较大时，则烟仓的长、宽、高尺寸均需调整，即须分别松动和拧紧12颗螺栓，其中8颗宽度螺栓（ W1-W8 ），2颗长度螺栓（ L1、L2 ），2颗高度螺栓（ H1、H2 ），如图3所示。

图2 分拣装置示意图

图3 烟仓通道结构示意图

现采用的烟仓紧固方式，如图4所示。方槽管与烟仓侧板采用螺栓连接，通过拧紧螺母增加方槽管与烟仓侧板间的摩擦力，实现烟仓紧固。尽管该方式牢固可靠，但受作业空间限制，螺栓的拧紧与松动操作十分不便，且随着年限增加，螺栓易发生变形、滑丝等情况，会给烟仓尺寸调节增加一定难度，并且随着异型烟品规数量逐年增加，对于卷烟商业企业来说，日均需要调节的烟仓数量也会随之大幅增加，须拧动的螺栓数量将变得十分庞大。因此，面对当前异型烟发展趋势，若仍采用传统简单、机械的紧固方式，既会大幅增加作业人员的工作强度，也会极大延长异型烟分拣作业的前序时间，制约异型烟分拣效率。

图4 改进前烟仓紧固结构示意图

2.尺寸调节不精准

烟仓尺寸是影响条烟出仓后烟姿形态的重要因素，也一定程度上决定了条烟是否会发生破损[6]。对于现有的立式条烟分拣装置，在进行烟仓尺寸调节时由于缺少辅助装置，移动烟仓侧板进行尺寸定位往往是凭经验、靠感觉进行大致调节，尺寸精度十分依赖作业人员的工作经验。同时，烟仓侧板移动时，由于螺母处于松动状态，在紧固烟仓侧板前，受重力等因素的影响，烟仓侧板容易会发生倾斜，造成烟仓前后或上下宽窄不一致，进而容易导致条烟分拣破损。因此，提高烟仓尺寸调节精度也是当前亟须解决的问题之一。

针对上述问题，本文设计了压胀锁紧装置和弹簧定位稍装置，其中压胀锁紧装置通过改变原有的机械式紧固方式，可轻松快速实现烟仓的松动和紧固，弹簧定位稍装置能实现烟仓尺寸精准定位，两者可较好地解决当前烟仓调节存在的问题。

1.安装压胀锁紧装置

（1）结构设计

单个烟仓共有12颗紧固螺栓，其中8颗螺栓是宽度紧固螺栓（W1-W8 ）。因此，只要解决烟仓宽度调节问题，便能大幅降低烟仓调节整体耗时。在原装置的基础上，本文对烟仓紧固结构进行了改进，改进后的结构如图5所示。

图5 改进后烟仓紧固结构示意图

在滑槽内壁与螺栓头之间加装薄壁气管，为增加薄壁气管与螺栓头之间的接触面积，方槽管与烟仓侧板之间采用T型螺栓连接，薄壁气管通过空气调压阀与气源连接，调节空气调压阀可控制薄壁气管内的气压。充气时，薄壁气管迅速膨胀，将T型螺栓的螺栓头压紧，此时烟仓侧板与方槽管之间的摩擦力增加，烟仓实现紧固；当关闭空气调压阀时，薄壁气管放气，螺栓头与薄壁气管迅速脱离，此时可自由移动侧板，如此可节省大量原有松动和拧紧螺栓的工作量，大幅降低烟仓调节作业的工作时间和劳动强度。

（2）参数设计

烟仓内的条烟，在电机带动的推块推动下实现分拣出仓，但在推动时条烟容易发生倾斜，导致条烟与烟仓侧板之间发生相互挤压。此时，若气管内气压过低，烟仓侧板与方槽管之间的摩擦力较小，在条烟的挤压下，烟仓侧板可能会发生松动或变形。气压过高，易造成气管破裂，且配套所需的气源等设备的成本较高。因此，为保证改进后烟仓牢固、可靠，须选择合适的气管材质和气压强度。

图6 条烟受力示意图

条烟出仓时，受力情况如图6。条烟在推块推动过程中条烟与推块的速度一致，且匀速向前运动。因此，该过程中条烟受力平衡，A、B两点力矩应满足：

其中，F 为推块的推力，a为条烟倾斜角度，l1、l2 分别为条烟的宽度和长度，l 为烟仓宽度。

由于条烟合力为零，即：

因此，可得到：

其中，为条烟与烟仓侧板的摩擦系数。由公式（1）、（2）、（3）、（4）可得：

由于烟仓宽度一般略大于条烟宽度，可认为，即，公式（5）可简化为：

推块的动力由电机输出的扭矩提供，电机输出扭矩为：

其中，P为电机功率；n为电机转速。不考虑电机在传动过程中的动力损失，可计算得到推块的推力：

其中，d1为推块转动直径。把公式（7）、（8）代入公式（6），可得：

当条烟与侧板发生挤压时，为保证烟仓侧板不会发生松动，烟仓侧板与方槽管之间的静摩擦力必须大于条烟对烟仓侧板的挤压力，即：

其中，为气管压强；s为螺栓头与气管接触面积；为螺栓与气管的静摩擦系数。根据公式（9）、（10），可得：

由于，为保证烟仓紧固、可靠，需满足：

因此，在选择合适的气管、T型螺栓、电机等设备的型号规格后，结合现有的异型烟条烟尺寸情况，可计算出最小气压强度。

2.安装弹簧定位销装置

烟仓尺寸调节，主要包括精准定位和烟仓紧固两部分。安装压胀锁紧装置虽然能改善烟仓紧固问题，但不能保证烟仓调节精度。通过对在销的各品规异型烟尺寸进行统计，确定异型烟尺寸范围，并结合类标烟、细支烟、中支烟和特异型烟的尺寸分布情况，适当将异型烟尺寸范围划分为若干个组别[7]，并每个组别尺寸都设置对应的颜色标记。以珠三角某地市公司为例，异型烟宽度尺寸组别划分如表1所示。

表1 异型烟宽度尺寸组别划分

根据尺寸组别划分，制作相应的颜色刻度尺贴纸，并粘贴在方槽管外表面。在烟仓侧板上安装弹簧定位销装置，定位销的轴心与烟仓侧板的内壁对齐，定位销结构如图7所示。同时，在各颜色尺寸范围的滑槽内壁开设对应的定位孔，定位孔圆心与该尺寸范围的中心尺寸重合，直径略大于定位销柱头直径，如图8所示。

图7 弹簧定位销结构图

图8 改进后烟仓装置示意图

当移动烟仓侧板进行尺寸定位时，将定位销的定位销帽提起，并扭转 ，定位销的柱头与滑槽内壁分离，此时根据待分拣条烟的尺寸参数找到对应颜色尺寸区域，并快速移动烟仓侧板，使侧板落入对应的颜色尺寸区域。此时，再将销帽扭转至原来角度并松开，定位销的柱头与滑槽内壁再次接触，通过轻微移动烟仓侧板，使定位销柱头落入滑槽内壁的定位孔内，从而实现烟仓尺寸快速精准定位。由于定位销的柱头与定位孔之间存在间隙配合，能避免烟仓侧板在紧固前发生倾斜而造成的烟仓前后或上下宽窄不一致的问题，从而可有效提升烟仓尺寸调节精度，降低异型烟分拣破损率。

1.试验设计与条件

以珠三角某地市公司为例，采用的是普天物流科技有限公司第三代立式条烟分拣机，每5个立式机为一组，各组立式机之间相互独立。以异型烟作为分拣对象，随机选取异型烟分拣线一组立式机，并以连续5个工作日的异型烟分拣订单数据进行模拟试验，分别统计改进前和改进后该组烟仓的调仓时间、尺寸调节偏差、条烟破损量、烟仓紧固等参数。

2.数据分析

立式条烟分拣装置改进前和改进后的相关试验数据，分别见表2、表3。通过对试验数据进行处理，试验表明：立式条烟分拣装置改进后，烟仓调节耗时降低约89.36%，单个烟仓尺寸调节的平均误差由改进前的13.96mm降低至3.72mm，尺寸调节精度大幅提升。同时，装置改进后异型烟分拣破损率由原来的0.0126%降低至0.0042%，异型烟分拣破损情况得到有效改善。此外，立式条烟分拣装置采用压胀锁紧装置后，烟仓未出现松动和侧板弯曲变形等问题，这也表明改进后的立式条烟分拣装置仍具有较好的稳定性和可靠性。

表2 改进前烟仓调节数据统计

表3 改进后烟仓调节数据统计

近年来，随着异型烟品规数和销量的爆发式增长，各地市异型烟的烟仓配比逐渐不足，立式条烟分拣装置调仓作业劳动强度大、耗时长等问题日益突显。本文提出了安装压胀锁紧装置

和弹簧定位销装置等改进措施。试验表明，立式条烟分拣装置改进后，能大幅缩短调仓作业时间，有效降低工作强度和分拣破损率，对于卷烟商业企业有较强的推广应用价值。