FOCKE408 条盒纸上胶装置的改进设计

金义龙，刘加高，陈 圣

（红云红河烟草（集团）有限责任公司会泽卷烟厂，云南曲靖 654200）

0 引言

FOCKE350S 机组是1990 年代由德国佛克（FOCKE）公司引进的具有先进水平的卷烟硬盒包装设备，机组由350 型小盒包装机、802 自动储烟柜、401 小包透明纸包装机和408 条盒透明纸包装机4 部分组成。408 条盒透明纸包装机是把从401 小包透明纸包装机输出的烟包以二五平包的排列方式进行条盒包装，在包装成条过程中对条盒纸上胶，原喷胶嘴经常存在乳胶易乱喷、易损坏等缺点，造成了产品质量下降，维修费用高等问题。经查阅相关资料，国内外使用的卷烟包装设备在条盒纸上胶方式上曾做过一些改造，此次改造借鉴原有的成熟技术，通过自主改进设计，简化喷胶嘴结构，改进喷胶嘴支架及驱动气缸，由原喷射式涂胶改为涂抹式涂胶，使条盒上胶更稳定，提高产品质量，降低维修费用。

1 原喷胶嘴工作原理及存在问题

1.1 原喷胶嘴工作原理

设备正常运行过程中，FOCKE408 包装机通过PLC 控制系统中的烟包移位寄存器第2 位高电平当电子凸轮运行到相应度数时，压缩空气打开，控制左、右喷胶嘴对条盒纸左、右侧各进行2 次喷射乳胶；当电子凸轮再次运行到相应度数时或设备处于停止状态时，电磁阀使喷胶压缩空气断开并停止喷胶。原上胶装置的喷胶嘴是采用旋涡流喷射乳胶，乳胶通过内装式气体通道时形成旋涡流，离开喷胶嘴时被雾化成直线喷射到条盒纸上。

图1 原喷胶嘴

如图1 所示，设备在正常运行过程中，当喷射循环开始时，压缩空气在电磁阀控制下由进气口2 进入，使活塞产生向右移位，带动喷胶嘴动针右移，乳胶在压力胶桶作用下从喷胶嘴喷出。同时，压缩空气通过进气口1 经涡流环进入喷射杯，旋涡流式压缩空气使喷出的乳胶雾化，喷射到条盒纸上，在电磁阀控制下关闭压缩空气，活塞在弹簧作用下复位，带动动针关闭喷胶嘴，完成一次喷射循环。

1.2 存在问题

1.2.1 喷胶嘴更换频率高、成本高

实际生产操作过程中，动针与喷胶嘴端部容易积胶，需要拆开喷胶嘴清洗胶液室、喷射杯、动针等部件才能清洁保养，容易损坏动针顶端。由于动针与喷射杯配合精度较高，其中任何配件损坏均需要更换整套上胶装置，更换频率较高。此外，原喷胶嘴为进口件，结构复杂，加工技术要求精度高，采购价约为2 万元/套，导致使用成本较高。2015 年会泽卷烟厂5 台FOCKE408 包装机更换喷胶嘴情况统计见表1。

1.2.2 影响产品质量、增加原辅材料消耗

喷胶嘴上胶方式为喷射式，由于不 同 品牌、不同批次的乳胶之间存在质量差异，容易引起喷胶嘴堵塞等现象，常常引发质量问题，如：条盒少胶、条盒无胶和胶位偏移等。据粗略统计，我厂2015年因条盒涂胶不良所浪费的条盒纸约为2 万张。

1.2.3 影响设备运行效率

原喷胶嘴通过压缩空气将乳胶进行雾化喷射，容易使小颗粒乳胶在条盒纸上胶部位形成积胶，操作人员需频繁对设备进行保养，同时在保养过程中容易损坏动针，造成维修耗时过长，两方面因素严重影响了设备运行效率。

2 改进设计

根据原条盒纸上胶装置存在的问题，对喷胶嘴结构进行重新设计，简化喷胶嘴结构，降低装配精度要求，减少清洁保养频次，提高产品质量。为此提出了多个方案，如旋转对压式涂胶、电控喷枪式上胶、涂抹式上胶等。经过方案比选和实验，最终选择涂抹式上胶，涂胶装置初步设计方案如图2 所示。

表1 2015 年FOCKE408 包装机喷胶嘴更换统计

2.1 涂胶嘴组件设计

2.1.1 涂胶笔设计

（1）结构设计。由于涂胶装置不工作时，涂胶笔、涂胶接头、涂胶嘴须形成一个密闭的乳胶储存环境，且在乳胶涂抹过程中不损伤条盒纸，因此，借鉴圆珠笔原理确定涂胶笔设计为：圆球状。

（2）材料确定。由于涂胶装置运行过程中，涂胶笔高频次对条盒纸进行涂胶，涂胶笔材料需具有较高耐磨性、耐腐蚀性及硬度，氮化硅陶瓷具有耐高温、高硬度、耐磨、耐腐蚀等特性。为确保条盒纸粘贴牢固，涂胶胶线宽度需为3 mm 左右，因此涂胶笔中心涂抹件设计为直径4 mm 的氮化硅陶瓷珠。

2.1.2 乳胶密封腔设计

乳胶密封腔需要较高的密封性，腔体和陶瓷珠接口处圆周直径须小于陶瓷珠直径尺寸4.0 mm，乳胶密封腔直径设计为3.500.015 mm，配合面表面粗糙度为0.8，材料选择为1Cr18Ni9Ti，如图4 所示。

图2 涂抹式上胶装置原理

图3 涂胶嘴组件组成部分

图4 乳胶密封腔设计

2.1.3 压缩弹簧选择

压缩弹簧作为复位动作的执行件，要使乳胶涂抹在条盒纸上后陶瓷珠能自动快速回位，且保证乳胶不外溢，根据其工作原理及工艺要求，具体步骤如下：

步骤1：确定弹簧所受载荷

设备胶水压力为0.2 MPa 转换为2 N/cm2，氮化硅陶瓷珠的尺寸为4 mm，陶瓷珠受力面积为其投影面积=0.42=0.5024 cm2，则陶瓷珠受到的压力：

为保证非工作状态下乳胶不外溢，所需最小弹簧力应大于陶瓷珠所受到的力1 N。

步骤2：确定弹簧材料和直径

根据实际情况预设计弹簧压缩量约为5 mm，压缩后弹簧高度为20 mm，弹簧自由高度则为20 mm+5 mm，弹力取陶瓷珠所受到的力为1 N，估算

取标准值确定簧丝直径D=0.4 mm。

步骤3：确定弹簧节距

考虑估算弹簧刚度为0.2 N/mm，根据资料取有效圈数n=12 圈，则弹簧总刚度：

上述预设计弹簧自由高度为25 mm，通过计算不满足弹簧所需力1 N，故取自由高度为25.8 mm，则节距：

确定选择锥形弹簧直径为0.4 mm、自由长度25.8 mm、节距2 mm、有效圈数12，如图5 所示。

图5 压缩弹簧设计

2.2 涂胶支撑板设计

为了满足涂胶笔涂抹工作条件，须设计支撑板，当涂胶笔向条盒纸涂抹乳胶时，在支撑板触压下陶瓷珠后退，乳胶从陶瓷珠与涂胶嘴的间隙之间挤出，并涂抹到条盒纸上。根据其机械性能、硬度、耐磨性和成本等因素，材料选择1Cr18Ni9Ti；测量涂胶嘴具体安装位置尺寸，涂胶支撑板图纸设计，如图6 所示。

2.3 气缸选型

（1）确定气缸类型。根据涂胶需要，涂胶笔需动作准确、复位迅速，故选用无缓冲单作用气缸。

（2）确定气缸行程。为避免涂胶笔拖胶现象，涂胶笔复位后与条盒纸之间的距离应3 mm，故选定气缸行程为5 mm。

图6 涂胶支撑板

（3）确定缸径。经测力计测量，气缸所需输出力F 应大于74.6 N；压缩空气的压强P 为0.6 MPa；查阅资料安全系数N 水平气缸取0.5，垂直气缸取0.2，故设定安全系数N=0.5。

气缸缸径的计算为：

式中 F——气缸输出力；N

N——安全系数；MPa

P——系统压力

S——活塞面积；m2

（4）气缸型号选择。根据气缸的类型、行程、缸径，最终选择气缸型号为：AEVC-20-5-I-P。

2.4 涂胶嘴支架设计

涂胶嘴支架的设计需满足安装和拆卸方便的要求，同时能够实现涂胶嘴与条盒纸距离的调整，结合设备实际测量，涂胶嘴支架设计如图7 所示：涂胶嘴与调整支座2 用螺母定位进行柔性连接，定位滑轨与支座实现整套涂胶组件与设备的安装定位，螺钉对涂胶组件进行定位，调节螺母可以实现其位置的细微调整。底座支架材料选用45#钢发黑加工处理。

图7 支架结构

（1）调整块设计。调整块实现对涂胶装置前后位置的调节，如图8 所示。

（2）调整支座设计。调整支座实现涂胶装置的定位及调节，如图9、图10、图11 所示。

2.5 电气控制系统

图8 调整块

图9 调整支座1

为保证涂胶的稳定性、可靠性，电气控制系统使用原FOCKE408 条盒纸喷胶电气控制原理，在设备正常运行时，PLC 控制系统中烟包移位寄存器第2 位为高电平、电子凸轮运行到相应度数时，压缩空气打开，控制左、右涂胶电磁阀对条盒纸左、右侧各进行2次涂抹乳胶。当电子凸轮运行到相应度数时或者设备停止及未在自动运行状态时，涂胶电磁阀使压缩空气断开并停止涂胶。为保障实现2 点快速涂胶，考虑成本因素，电磁阀选用：2 位3 通高速电磁阀。气缸控制系统，如图12 所示。

图10 调整支座2

图11 调整支座3

图12 气缸控制

FOCKE408 控制系统为PLC 系统控制，当PLC 控制系统输出信号时，电磁阀通过端子接线，接收到此信号，电磁阀打开，通过气管使气缸通气，涂胶嘴前移，当信号断开时，电磁阀关闭，气缸断气，气缸通过自身的复位弹簧使涂胶嘴后退复位，如图13 所示。

2.6 电磁阀底座设计

为了安装2 位3 通高速电磁阀，须对其安装底座进行设计。根据实际测量，安装底座如图14 所示，材料选择45#钢发黑处理。

图13 涂胶嘴前移及后退控制流程

3 涂胶装置工作原理及过程

经过设计组装，乳胶涂抹装置及其组件装配示意图，如图15所示。

图14 电磁阀安装底座

图15 涂胶装置及其组件装配

涂胶嘴工作原理及过程：涂胶装置由涂胶嘴连接块、支座、定位滑槽、调整块进行联接固定在机器上，通过微调螺钉调节涂胶嘴与条盒的距离，当手柄松开时即可取下涂胶装置。在工作状态下，当条盒纸检测器检测到条盒纸到达涂胶位置时，电磁阀打开，气体通过进气口进入气缸，气体推动活塞杆压缩柱形弹簧，推动模块A 向前运动接触条盒纸，在涂胶支撑板的作用下，陶瓷珠往后按压弹簧，乳胶在压缩空气作用下从陶瓷珠与储胶腔之间间隙挤出，并涂抹在条盒纸上胶位置。当条盒纸检测器检测到条盒纸离开涂胶位置时候，电磁阀关闭，压缩空气断开，在柱形弹簧的作用力下活塞杆自动快速复位、模块A 复位，陶瓷珠在弹簧作用下复位，储胶腔形成密闭空间，停止乳胶涂抹。

乳胶由压缩空气通过进胶管压入储胶腔，正常涂胶后立即对储胶腔补充胶液，当处于不涂胶状态时，储胶腔通过密封圈和涂胶笔形成密闭空间，防止乳胶流出。

安装调试后，涂胶嘴实物如图16 所示。

4 改进效果

首先对硬包5#机组进行改装试用，经过1 年多的实际运行验证，收到显著的效果，并推广应用到车间所有FOCKE350S 包装设备。通过对其运行情况详细的跟踪统计，具体效果如下：

4.1 降低清洁频次

图16 涂胶装置及其组件实物

由于上胶方式由原来的喷射式改为涂抹式，涂胶更稳定，无溢胶、散喷现象，而陶瓷珠不容易粘胶，涂胶笔及周边部件清洁频次降低。

4.2 降低维修成本

改进后涂胶装置使用寿命长，成本为4820 元/套（原装置成本200 00 元/套），各零件均可单独更换，唯有压缩弹簧（成本2元/件）为易损件，且更换简便、快速，大大节约维修成本和维修时间；2016 年9 月～2017 年3 月FOCKE408 涂胶装置更换情况统计见表2。

表2 2016 年9 月至2017 年3 月FOCKE408 涂胶装置更换统计

4.3 降低原辅材料消耗、提高设备运行效率

原喷胶嘴喷胶不稳定，导致条盒纸阻塞，原辅材料消耗较大、设备效率降低。改进后涂胶稳定，条盒纸阻塞次数减少，降低了原辅材料消耗，保养和维修次数降低，提高了设备运行效率。

5 结论

通过对硬包FOCKE350S 机组进行条盒纸涂胶装置改进设计，弥补了原条盒上胶装置的诸多不足，提高了条盒纸包装质量和设备运行效率，有效降低了卷烟物耗。根据测算卷包车间共有7 组FOCKE350 包装机组，则每年可为工厂节约配件费用约56万元。