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[摘 要]根据超高速PROTOS-M8卷烟机更换牌别的特殊要求，按照设备印刷系统的油墨补充原理自行设计一种新型油墨加注装置。研究采用压吸式的加注方法对设备进行油墨的补充。该装置具有简单、方便的特点，在更换牌别的时候，能够及时有效地更换油墨的种类。经实践，该装置在保证了加注油墨质量的前提下，不仅可以大大缩短了更换牌别的时间，同时还减轻了工人的劳动强度，保证了生产进度，确保了产品质量。
[关键词]超高速卷烟机 油墨加注装置 研制
中图分类号：U24 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）38-0089-03
1 前言
2011年，我厂从德国引进了3台超高速M8卷烟机，它具有造型美观、操作简单、故障率低、维修方便、自动化程度高、运行稳定可靠、适用于大批量卷烟连续生产等特点，生产速度达到20000支/分。目前，M8卷烟机所配备的油墨加注装置在日常生产过程中，需要经过多道准备工序才能实现对设备油墨的补充。另外，原有的油墨加注装置在机器更换其他牌别卷烟生产的时候，需要花费很长的时间去清理装置内残余油墨。不但增加了工人的劳动强度，而且严重影响了生产进度。
2 现用油墨加注装置的加装方式分析
我厂M8所配备的油墨加注装置在对设备进行油墨补充前需要将厂家提供的油墨人工挤到油墨加注装置的容器中去。然后，在容器的顶部端盖上施加一定的空气压力，通过气动泵将油墨加注到设备中去，从而实现对设备的油墨补充。该种油墨加注装置一方面在清洁保养的时候比较费时、费力；另一方面由于经常需要人工将油墨加入到容器中去，久而久之加注装置中的油墨就会出现积皮和积块的现象。我们根据所统计的清洁保养油墨加注装置所需要的时间，绘制了时间序列图（如图1）
从图上可以看出每次保养平均耗时253.2分钟。针对以上出现的情况，我们决定研制一种新型油墨加注装置：
2.1 实施方案一
2.1.1压力式油墨加注装置工作原理
见图2，我们将厂家提供的油墨筒3安装装到压力容器2中。将端盖4拧到压力容器2上。再将连接管路1连接到设备上去，同时将气管5连接到压缩空气上。
压力式油墨加注装置是通过压缩空气的压力推动油墨筒内的活塞向前移动，从而实现油墨的加注工作，并且只有同时满足下述条件时才能完成油墨加注工作：
a）连接管路的出口压力必须要大于设备的入口压力。
b）油墨筒内活塞的配合精度要高。
在更换新的油墨筒时，只需要将端盖4松开，取出旧的油墨筒，换上新的油墨筒，拧紧端盖就可以继续对设备进行油墨补充。
2.1.2 工作性能
连接管路的孔径：10mm
气管孔径：10mm
2.1.3 应用情况及分析
加注油墨所需要的空气压力太大：设备上印刷系统的油墨补充装置的入口采用的是单向阀来防止油墨外漏。在实验过程中，我们将此装置的出口连接到设备的油墨加注口，使用生产现场提供的压缩空气，通过实验发现此装置的出口压力克服不了设备油墨装置的入口压力。也就是说生产现场所提供的压缩空气不能够完成对设备的油墨加注工作。
如果要增加压缩空气的大小，就需要重新鋪排管路，比较繁琐。所以，再次设计新的方案来解决该问题。
2.2 实施方案二
2.2.1机械式油墨加注装置工作原理
针对压力式油墨加注装置出现的加注装置的出口压力无法克服设备的入口压力这一问题。决定设计一根丝杠，通过丝杠的转动产生的水平移动力来推动油墨筒内的活塞的移动，从而实现对设备所需油墨的加注工作。图3为机械式油墨加注装置。
2.2.2 方案设计
（1）首先，根据压强公式P=F/S计算出设备的入口压力为：
F=PxS=0.3*106*（30/2）2*π*10-6=211.95N
（2）根据设备的入口压力，通过丝杆推力公式：P=2πηT/L其中
P：推力
η：丝杆传动效率大约为0.9-0.95
T：转矩
L：导程
设定螺杆的导程为：2mm
T=PL/（2πη）=211.95x2/（2x3.14x0.95）=71.1N·mm
（3）根据力矩公式T=FxS，同时设计了一个直径为100mm的手柄来转动丝杠，
也就是说需要：
F=71.1/50=1.422N
2.2.3 应用情况及分析
机械式油墨加注装置很好地解决了生产现场的压缩空气压力小的问题。但是在油墨加注过程中，我们发现油墨筒的活塞与筒壁的接触处有油墨的渗漏问题。也就是说油墨筒壁与活塞的配合精度不够高。如果以这种方式对设备进行油墨补充，虽然能够满足生产的需要，但是油墨的浪费就比较严重。如果让油墨生产厂家改进现有的油墨，那么相应的生产成本也就提高了。为了找到更好的加注方式，下面再进一步进行设计分析。
2.3 实施方案三
2.3.1 压吸式油墨加注装置工作原理
见图4，压吸式油墨加注装置是通过压缩空气预先将厂家提供的油墨筒内的油墨挤压出来。然后，再通过气动隔膜泵将油墨加注到设备中去，从而实现对设备的油墨补充。
2.3.2 工作性能
由于压吸式油墨加注装置压缩空气管路直径的大小与空气的压力和油墨的加注时间都有密切的联系。于是，我们通过实验的方法来确定空气压力、气管直径、加注时间等最佳参数。如表1因子水平表
通过因子水平表，制定了实验方案，并得到了实验数据。如表2实验数据表
通过计算得出如果将油墨筒加满后可以生产7100，0000卷烟，从而计算出油墨的重量约为163.4g。根据实验数据综合比较得出最佳参数组合：空气压力为：5bar、气管直径为：10mm、加注时间为：8min。 2.3.3 应用情况及分析
压吸式油墨加注装置在使用过程中一方面可以避免因生产现场的压缩空气压力小而导致油墨无法加注的问题，另一方面还可以有效地解决油墨筒壁与活塞的配合精度低的问题。此装置能有效地对设备进行油墨补充。
2.4 油墨加注装置对比及总结
根据上述分析，我们综合比较以上三种加注装置的可靠性、可实施性、以及可操作性，压吸式油墨加注装置在这三方面具有显著的优势，具有很强的推广意义。
3 改进思路及条件分析
3.1 改进思路
1、设计一个可移动式工作平台。
2、设计一个压力容器，并在压力容器上加装一个观察窗来观察油墨筒内油墨的使用情况。同时，通过装配的方式将压力容器安装在工作平台上。
3、选用气动隔膜泵，减少供墨驱动单元的故障率，提升可靠性。
4 改进方案设计
4.1 气动隔膜泵选型
根据以上设计条件，通过对多种气动隔膜泵的性能参数及尺寸进行比较，最终选定了CX20EES型气动隔膜泵。该气动隔膜泵结构简单，耐磨性高，寿命长。表3为CX20EES型气动隔膜泵主要技术参数。
4.1.1 气动隔膜泵工作原理
该泵由工作腔和气动腔两部分组成，中间由特种膜片完全隔开。
图5：空气经由气阀压缩进入膜片A之背面，由膜片挤压液室。在压缩空气将膜片A推离中心体时，另一端之膜片B同时被连结之中心轴拉向中心体，此时，膜片B背面之空气由出口排放到泵体外。如此使B室形成真空状态，因而能靠外面大气压力之作用将流体由入口支管将阀球推离阀座使流体能自由地进入B室直至填满。
图6：当受空气挤压之膜片A达到其位移极限时，空气阀会将空气引导至膜片B之背面，同样形成挤压力而使其推离中心体，同时将连结的膜片A拉回中心体，此时膜片B之驱动所产生的液压将入口阀球推回阀座，同时将出口阀球推离阀座使流体能被挤压而从出口排出泵体外。膜片A被拉回中心体这个动作使A室形成真空状态，因而能靠大气压力作用将流体由入口支管将阀球推离阀座而进入A室直至填满。
通过在中心轴两端固定的两片隔膜的左右水平运动将材料压送出去。在图5的左侧空气室b中，送入压缩空气使中心轴向左方向移动。材料室B中的材料被压出，同时材料室A吸入材料。当中心轴向左移动到行程尽头时，空气交换阀换向，压缩空气被送入右侧空气室a，使中心轴向右方向移动。材料室A中的材料被压出，同时材料室B吸入材料。这样的动作往复进行材料就被连续的吸入和吐出。
4.1.2 气动隔膜泵的优点
（1）以压缩空气为动力，不需要其它的动力。
（2）泵不会过热：压缩空气作动力，在排气时是一个膨胀吸热的过程，气动隔膜泵工作时温度是降低的，无有害气体排出。
（3）流量可调节，可以在物料出口处加装节流阀来调节流量。
（4）可以输送的流体极为广泛，从低粘度的到高粘度的，从腐蚀性的到粘稠的。体积小、重量轻，便于移动。无需润滑所以维修简便，不会由于滴漏而污染工作环境。
（5）泵始终能保持高效，不会因为磨损而降低效率。密封性能好，维修简便避免了泄露，工作时无死点。
（6）泵无旋转部件，隔膜将抽送介质与泵的工作部件、工作介质安全隔开，介质不向外泄漏。
（7）通道宽敞，通透性好，能够泵吸粘度大、带颗粒介质。
（8）使用方便，工作可靠，可以连续工作。
4.2 可移动式工作平台的设计
为了美观以及减小操作人员的劳动强度，我们设计了一个可移动的工作平台。以便将压力容器和气动隔膜泵安装在上面。为了让可移动式工作平台发挥更大作用，我们将工作平台分为两层可以用来摆放日常工作中的常用件（图7）。
4.3 压力容器的设计
对厂家提供的油墨筒进行测绘。根据测绘的数据设计压力容器并用绘图软件进行绘图（图8，9，10）。
为了能够清楚地观察到油墨筒内油墨的使用情况，设计加工一个观察窗（图11，12）。
通过工字形支架将压力容器安装在可移动式工作平台上（图13，14）。
4.4 整体结构组装
我们将加工好的零部件进行组装（图15）。
该装置由工作台（1）、支架（2）、套筒（3）、后端盖（4）、前端盖（5）、气泵（6）组成。如图中所示：支架（2）安装在工作台（1）上，套筒（3）安装在支架（2）上，将一个新的油墨筒放在套筒（3）里，拧上前、后端盖（5、4），将前端盖（5）的气管连接在气泵（6）的进口。工作时，将套筒后端盖（4）上的气管和气泵（6）上的气管连接到压缩空气源上，空气的压力大概为：5bar，气泵（6）出口管道连接到设备上。套筒后端盖（4）的压力推动油墨筒活塞向前运动，气泵（6）将从喷嘴挤出来的油墨压入设备中，从而完成油墨加注工作。
5 改进前后效果对比
压吸式油墨加注装置不但能够满足生产需求，而且在遇到更换不同颜色的油墨时，避免了清洁油墨容器，可以直接更换油墨生产厂家提供的不同颜色油墨筒，节约了清洁所需时间，大大减轻了工人的劳动强度，提高了工作效率。从使用的情况可以看出，达到了我们预期的效果，改造取得了明显的成功。图16为改进效果对比。
结束语
PROTOS M8新型油墨加注装置，具有结构简单，维护方便，使用便捷等特点，动力来源就是设备上连接的压缩空氣，无需外接电源，安全可靠，能够满足生产需求，大大减少了清洁油墨加注装置的时间，操作人员的劳动强度得到了大幅度的降低，提高了工作效率，保证了生产进度。
参考文献资料
[1] 德国虹霓公司.《PROTOSM8操作手册》.
[2] 德国虹霓公司.《PROTOSM8维修手册》.
[3] 德国虹霓公司.《PROTOSM8备件图纸》.
[4] 成大先主编.《机械设计手册》（第四版）.北京：化学工业出版社.2007.6.
[关键词]超高速卷烟机 油墨加注装置 研制
中图分类号：U24 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）38-0089-03
1 前言
2011年，我厂从德国引进了3台超高速M8卷烟机，它具有造型美观、操作简单、故障率低、维修方便、自动化程度高、运行稳定可靠、适用于大批量卷烟连续生产等特点，生产速度达到20000支/分。目前，M8卷烟机所配备的油墨加注装置在日常生产过程中，需要经过多道准备工序才能实现对设备油墨的补充。另外，原有的油墨加注装置在机器更换其他牌别卷烟生产的时候，需要花费很长的时间去清理装置内残余油墨。不但增加了工人的劳动强度，而且严重影响了生产进度。
2 现用油墨加注装置的加装方式分析
我厂M8所配备的油墨加注装置在对设备进行油墨补充前需要将厂家提供的油墨人工挤到油墨加注装置的容器中去。然后，在容器的顶部端盖上施加一定的空气压力，通过气动泵将油墨加注到设备中去，从而实现对设备的油墨补充。该种油墨加注装置一方面在清洁保养的时候比较费时、费力；另一方面由于经常需要人工将油墨加入到容器中去，久而久之加注装置中的油墨就会出现积皮和积块的现象。我们根据所统计的清洁保养油墨加注装置所需要的时间，绘制了时间序列图（如图1）
从图上可以看出每次保养平均耗时253.2分钟。针对以上出现的情况，我们决定研制一种新型油墨加注装置：
2.1 实施方案一
2.1.1压力式油墨加注装置工作原理
见图2，我们将厂家提供的油墨筒3安装装到压力容器2中。将端盖4拧到压力容器2上。再将连接管路1连接到设备上去，同时将气管5连接到压缩空气上。
压力式油墨加注装置是通过压缩空气的压力推动油墨筒内的活塞向前移动，从而实现油墨的加注工作，并且只有同时满足下述条件时才能完成油墨加注工作：
a）连接管路的出口压力必须要大于设备的入口压力。
b）油墨筒内活塞的配合精度要高。
在更换新的油墨筒时，只需要将端盖4松开，取出旧的油墨筒，换上新的油墨筒，拧紧端盖就可以继续对设备进行油墨补充。
2.1.2 工作性能
连接管路的孔径：10mm
气管孔径：10mm
2.1.3 应用情况及分析
加注油墨所需要的空气压力太大：设备上印刷系统的油墨补充装置的入口采用的是单向阀来防止油墨外漏。在实验过程中，我们将此装置的出口连接到设备的油墨加注口，使用生产现场提供的压缩空气，通过实验发现此装置的出口压力克服不了设备油墨装置的入口压力。也就是说生产现场所提供的压缩空气不能够完成对设备的油墨加注工作。
如果要增加压缩空气的大小，就需要重新鋪排管路，比较繁琐。所以，再次设计新的方案来解决该问题。
2.2 实施方案二
2.2.1机械式油墨加注装置工作原理
针对压力式油墨加注装置出现的加注装置的出口压力无法克服设备的入口压力这一问题。决定设计一根丝杠，通过丝杠的转动产生的水平移动力来推动油墨筒内的活塞的移动，从而实现对设备所需油墨的加注工作。图3为机械式油墨加注装置。
2.2.2 方案设计
（1）首先，根据压强公式P=F/S计算出设备的入口压力为：
F=PxS=0.3*106*（30/2）2*π*10-6=211.95N
（2）根据设备的入口压力，通过丝杆推力公式：P=2πηT/L其中
P：推力
η：丝杆传动效率大约为0.9-0.95
T：转矩
L：导程
设定螺杆的导程为：2mm
T=PL/（2πη）=211.95x2/（2x3.14x0.95）=71.1N·mm
（3）根据力矩公式T=FxS，同时设计了一个直径为100mm的手柄来转动丝杠，
也就是说需要：
F=71.1/50=1.422N
2.2.3 应用情况及分析
机械式油墨加注装置很好地解决了生产现场的压缩空气压力小的问题。但是在油墨加注过程中，我们发现油墨筒的活塞与筒壁的接触处有油墨的渗漏问题。也就是说油墨筒壁与活塞的配合精度不够高。如果以这种方式对设备进行油墨补充，虽然能够满足生产的需要，但是油墨的浪费就比较严重。如果让油墨生产厂家改进现有的油墨，那么相应的生产成本也就提高了。为了找到更好的加注方式，下面再进一步进行设计分析。
2.3 实施方案三
2.3.1 压吸式油墨加注装置工作原理
见图4，压吸式油墨加注装置是通过压缩空气预先将厂家提供的油墨筒内的油墨挤压出来。然后，再通过气动隔膜泵将油墨加注到设备中去，从而实现对设备的油墨补充。
2.3.2 工作性能
由于压吸式油墨加注装置压缩空气管路直径的大小与空气的压力和油墨的加注时间都有密切的联系。于是，我们通过实验的方法来确定空气压力、气管直径、加注时间等最佳参数。如表1因子水平表
通过因子水平表，制定了实验方案，并得到了实验数据。如表2实验数据表
通过计算得出如果将油墨筒加满后可以生产7100，0000卷烟，从而计算出油墨的重量约为163.4g。根据实验数据综合比较得出最佳参数组合：空气压力为：5bar、气管直径为：10mm、加注时间为：8min。 2.3.3 应用情况及分析
压吸式油墨加注装置在使用过程中一方面可以避免因生产现场的压缩空气压力小而导致油墨无法加注的问题，另一方面还可以有效地解决油墨筒壁与活塞的配合精度低的问题。此装置能有效地对设备进行油墨补充。
2.4 油墨加注装置对比及总结
根据上述分析，我们综合比较以上三种加注装置的可靠性、可实施性、以及可操作性，压吸式油墨加注装置在这三方面具有显著的优势，具有很强的推广意义。
3 改进思路及条件分析
3.1 改进思路
1、设计一个可移动式工作平台。
2、设计一个压力容器，并在压力容器上加装一个观察窗来观察油墨筒内油墨的使用情况。同时，通过装配的方式将压力容器安装在工作平台上。
3、选用气动隔膜泵，减少供墨驱动单元的故障率，提升可靠性。
4 改进方案设计
4.1 气动隔膜泵选型
根据以上设计条件，通过对多种气动隔膜泵的性能参数及尺寸进行比较，最终选定了CX20EES型气动隔膜泵。该气动隔膜泵结构简单，耐磨性高，寿命长。表3为CX20EES型气动隔膜泵主要技术参数。
4.1.1 气动隔膜泵工作原理
该泵由工作腔和气动腔两部分组成，中间由特种膜片完全隔开。
图5：空气经由气阀压缩进入膜片A之背面，由膜片挤压液室。在压缩空气将膜片A推离中心体时，另一端之膜片B同时被连结之中心轴拉向中心体，此时，膜片B背面之空气由出口排放到泵体外。如此使B室形成真空状态，因而能靠外面大气压力之作用将流体由入口支管将阀球推离阀座使流体能自由地进入B室直至填满。
图6：当受空气挤压之膜片A达到其位移极限时，空气阀会将空气引导至膜片B之背面，同样形成挤压力而使其推离中心体，同时将连结的膜片A拉回中心体，此时膜片B之驱动所产生的液压将入口阀球推回阀座，同时将出口阀球推离阀座使流体能被挤压而从出口排出泵体外。膜片A被拉回中心体这个动作使A室形成真空状态，因而能靠大气压力作用将流体由入口支管将阀球推离阀座而进入A室直至填满。
通过在中心轴两端固定的两片隔膜的左右水平运动将材料压送出去。在图5的左侧空气室b中，送入压缩空气使中心轴向左方向移动。材料室B中的材料被压出，同时材料室A吸入材料。当中心轴向左移动到行程尽头时，空气交换阀换向，压缩空气被送入右侧空气室a，使中心轴向右方向移动。材料室A中的材料被压出，同时材料室B吸入材料。这样的动作往复进行材料就被连续的吸入和吐出。
4.1.2 气动隔膜泵的优点
（1）以压缩空气为动力，不需要其它的动力。
（2）泵不会过热：压缩空气作动力，在排气时是一个膨胀吸热的过程，气动隔膜泵工作时温度是降低的，无有害气体排出。
（3）流量可调节，可以在物料出口处加装节流阀来调节流量。
（4）可以输送的流体极为广泛，从低粘度的到高粘度的，从腐蚀性的到粘稠的。体积小、重量轻，便于移动。无需润滑所以维修简便，不会由于滴漏而污染工作环境。
（5）泵始终能保持高效，不会因为磨损而降低效率。密封性能好，维修简便避免了泄露，工作时无死点。
（6）泵无旋转部件，隔膜将抽送介质与泵的工作部件、工作介质安全隔开，介质不向外泄漏。
（7）通道宽敞，通透性好，能够泵吸粘度大、带颗粒介质。
（8）使用方便，工作可靠，可以连续工作。
4.2 可移动式工作平台的设计
为了美观以及减小操作人员的劳动强度，我们设计了一个可移动的工作平台。以便将压力容器和气动隔膜泵安装在上面。为了让可移动式工作平台发挥更大作用，我们将工作平台分为两层可以用来摆放日常工作中的常用件（图7）。
4.3 压力容器的设计
对厂家提供的油墨筒进行测绘。根据测绘的数据设计压力容器并用绘图软件进行绘图（图8，9，10）。
为了能够清楚地观察到油墨筒内油墨的使用情况，设计加工一个观察窗（图11，12）。
通过工字形支架将压力容器安装在可移动式工作平台上（图13，14）。
4.4 整体结构组装
我们将加工好的零部件进行组装（图15）。
该装置由工作台（1）、支架（2）、套筒（3）、后端盖（4）、前端盖（5）、气泵（6）组成。如图中所示：支架（2）安装在工作台（1）上，套筒（3）安装在支架（2）上，将一个新的油墨筒放在套筒（3）里，拧上前、后端盖（5、4），将前端盖（5）的气管连接在气泵（6）的进口。工作时，将套筒后端盖（4）上的气管和气泵（6）上的气管连接到压缩空气源上，空气的压力大概为：5bar，气泵（6）出口管道连接到设备上。套筒后端盖（4）的压力推动油墨筒活塞向前运动，气泵（6）将从喷嘴挤出来的油墨压入设备中，从而完成油墨加注工作。
5 改进前后效果对比
压吸式油墨加注装置不但能够满足生产需求，而且在遇到更换不同颜色的油墨时，避免了清洁油墨容器，可以直接更换油墨生产厂家提供的不同颜色油墨筒，节约了清洁所需时间，大大减轻了工人的劳动强度，提高了工作效率。从使用的情况可以看出，达到了我们预期的效果，改造取得了明显的成功。图16为改进效果对比。
结束语
PROTOS M8新型油墨加注装置，具有结构简单，维护方便，使用便捷等特点，动力来源就是设备上连接的压缩空氣，无需外接电源，安全可靠，能够满足生产需求，大大减少了清洁油墨加注装置的时间，操作人员的劳动强度得到了大幅度的降低，提高了工作效率，保证了生产进度。
参考文献资料
[1] 德国虹霓公司.《PROTOSM8操作手册》.
[2] 德国虹霓公司.《PROTOSM8维修手册》.
[3] 德国虹霓公司.《PROTOSM8备件图纸》.
[4] 成大先主编.《机械设计手册》（第四版）.北京：化学工业出版社.2007.6.