1. 引言
切片是制丝生产工艺的一道重要工序，该工序的主要设备是切片机，主要工艺任务是对醇化、拆包后的烟包切块，以便于烟叶的松散、回潮均匀，为后序生产做准备。
目前，在烟草行业，烟包切片方式主要有三种方式：第一种是将烟包纵向分切成一定质量的小块，一块一块地输送到下一工序；第二种也是纵向切烟包，所不同的是由10把刀同时插入烟包，刀片在气缸作用下左、右横移，将烟包分成四片；第三种是将烟包横向分切(铲片)成一定质量的小块，一层一层推送到下一工序。膨胀烟丝车间的FT6B型切片机就属于第一种切片方式。
FT6B型切片机的设备组成及工作原理
FT6B型切片机主要由刀头、压缩空气系统、皮带机、机架、导料装置、挡料装置和门几部分组成。刀头由刀片、支刀板、刀架、压刀板、调节螺杆、导轮、托块等组成，其工作原理是：皮带机将烟包输送至导料装置上，安装在机架上的光电开关检测到烟包后，发出刀头动作的信号，刀头在气缸的作用力下向下运动，装在刀头上的刀片将烟包切成片，当刀头运动到最下端时，安装在下端的接近开关发出信号，刀头在气缸作用下向上运动，此时，导料装置在另一对缸的作用下，将烟片导入下游运输带上，完成切片动作。挡料装置的作用主要是在刀片切烟包时，防止切好的烟片倒入下游运输带上而损坏输送设备。切片机的门上安装有安全开关，在生产时，只要任意打开一扇门，切片机上的安全装置将启动，设备停止运行[1] [2]。
2. 问题的提出及分析
Figure 1. Schematic diagram of the feeding device
图1. 导料装置示意图
导料装置是切片机的重要组成部分，其作用是切刀在切片时支撑烟包，并将切片后的烟片导入后续运输带上，可以减轻切下的物料对下游设备的冲击。但在实际使用中发现，导料装置的横档与臂板联接螺栓经常发生断裂，导致设备停机，影响后序设备的正常运行，对膨胀烟丝质量的稳定造成了不利的影响。导料装置见图1。
为了更全面地掌握设备发生故障的具体情况，在实际生产过程中着重对螺栓断裂情况作了统计，结果见表1。
Table 1. Statistical table of broken count of connecting bolts for the feeding device base
表1. 导料装置基座联接螺栓断裂次数统计表
时间(月) |
2010年 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
频次(次) |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
合计 |
4 |
从表1可以看出，2010年一共发生联接螺栓断裂的次数为4次，平均每三个月就发生一次，对后序设备的正常运行造成了较大的影响。
2.1. 导料装置的组成及工作原理
导料装置主要由左臂板、右臂板、导料头、横档等组成。其工作原理是：导料板的左、右臂板分别由固定支座固定，并能围绕支座转动，臂板的一端与气缸相联接，另一端则由三颗螺栓与横档相联，横档上再固定导料头，工作时，气缸活塞杆伸出，导料头上升至水平并支承烟包完成切片动作，切片完成后，气缸活塞杆缩回，导料头向下旋转将烟片导入下游运输带，完成支承和导料动作。如图2所示。
Figure 2. Schematic diagram of the feeding device structure
图2. 导料装置结构示意图
2.2. 故障原因分析
根据几次故障来看，导致螺栓断裂并非有什么异常情况，比如烟包中夹杂有其他硬物等，所以故障原因分析主要从导料装置受力情况入手。受力分析见图3。
从受力分析图可以看出，作用在横档上的力为F。F由两个力组成，一个是切刀切烟包施加的力，另一个是烟块本身的重力。根据作用力与反作用原理，并且考虑到横档在受力时产生形变，所以作用在联接螺栓上的力为：在Y方向上大小相等、方向相同的剪切力F1，在X方向上大小相等、方向相反的拉力F2。根据材料力学强度理论可知：当螺栓的屈服极限为[σ]时，其许用剪应力[τ] = [σ]/S，S为安全系数，根据机械设计手册，对于预紧，并且同时承受轴向和横向的变载荷，M6~M16的碳素钢材料的螺栓，S取12.5~8.5，合金钢材料S取10~6.8。可以看出，螺栓受剪时，其抗剪强度只相当于抗拉强度的十分之一左右。从受力图分析，在切片时，联接螺栓受到的主要是剪应力。所以切片机在使用过程中，导料装置联接螺栓很容易因疲劳而被剪断[3] [4]。
Figure 3. Force analysis diagram of the feeding head
图3. 导料头受力分析图
3. 导料装置的改进[5]
3.1. 改进方案一
由于螺栓发生断裂，所以在制定解决方案时，首先考虑到是因为原来所使用的螺栓强度不够。原先所使用的螺栓为M12的螺栓，强度等级为4.8。所以决定在原有基础上改用强度等级为8.8的螺栓，强度增加一倍。
更换了更高强度螺栓的导料装置在使用了一段时间后，螺栓还是发生了断裂，说明螺栓强度还是达不到要求，还需另辟蹊径。
3.2. 改进方案二
方案一的失败显示了螺栓受到了非常大的剪切力。所以在制定方案二时，着重从如何减小或消除螺栓受到的剪切力入手，对横档结构进行改进。首先对原横档的尺寸进行测量，并且将横档上端两侧分别加长20 mm，使横档长度与臂板外侧相平齐，让臂板直接支承横档。由于臂板厚度仅有20 mm，并且为了预防改造后的联接螺栓再发生断裂，所以，选用M16螺栓，这就意味着必须在臂板的内侧焊接一块垫块，才能满足打孔攻丝的要求。但垫块的厚度要满足三方面的条件，一是要能打孔攻丝且螺纹强度满足要求；二是要尽可能增大与横档的接触面积，增加横档在工作时的抗弯强度；三是增加厚度后的臂板内侧在转动时不能和运输带滚筒相碰撞。基于这三方面的考虑，并通过实际测量，垫块的厚度设定为30 mm。加上臂板厚度，实际厚度为50 mm。所以，在设计横档尺寸时，应留出50 mm的支承长度。
Figure 4. Crossbar parts diagram after modification
图4. 改造后横档零件图
为了减小横档在切片时较大变形，在横档端面中部设计了一个螺孔，用螺栓将臂板内侧与横档端面联接。确定下相关的尺寸后，并画出了零件加工图，见零件图4。
同时，由于横档直接由臂板支承，如果不对臂板结构进行改造，那么，横档就将高于运输带，根本不能进行切片，还必须对臂板结构进行改造。重新设计臂板结构，并根据横档尺寸，最终确定零件加工图，将横档高出的尺寸用臂板来补偿。见图5。
Figure 5. Assembly plate processing part drawing
图5. 臂板加工零件图
零件加工完成后，首先将垫块进行焊接，然后对其他零件进行安装，具体实施方案如图6所示。
Figure 6. Schematic diagram of the improved crossbar structure
图6. 改进后横档结构示意图
从图6可以看出，结构改进后的横挡受力方式也随之改变，原设计的横档在切片时，切刀施加的力完全作用在联接螺栓上，而改进后的横档，切刀施加的力主要作用在横档上，如果不考虑横档的变形，螺栓除了受到预紧力外，不受任何剪切力。具体受力分析如图7所示。
Figure 7. Force analysis diagram of the improved crossbar structure
图7. 改进后横档受力分析图
4. 效果检查
改进后的切片机导料装置被应用于实际生产中，并通过长期的跟踪调查，从2005年至今，在生产中没有出现螺栓被剪断的现象，同时，导料系统运行稳定，动作灵活，保证了制丝生产顺利进行，极大地减少了设备故障停机次数，降低了修理人员的修理强度，达到节能降耗、改革创新的目的。
5. 总结及展望
纵观对切片机导料装置的改造过程不难发现，改造内容并不复杂，只改变了横档的受力方式，并制作一些小零件加以配合，就取得了非常好的效果。
作为修理人员应该从中学到，其实技术创新并不难，只要用心，并善于突破固有思维，整个生产过程处处就会有创新，产品的质量才能更好地得到保障。