ZB45型包裝機(jī)小盒商標(biāo)紙疊供料離合器的改進(jìn)

鄧梅東

(龍巖煙草工業(yè)有限責(zé)任公司，福建龍巖 364021)

ZB45型硬盒包裝機(jī)組作為卷煙機(jī)械設(shè)備，被中國(guó)煙草制造廠家廣泛使用［1］。但其小盒商標(biāo)紙疊供料傳動(dòng)系統(tǒng)的控制電磁離合器，在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，因活動(dòng)摩擦片的限位環(huán)易移位、復(fù)位彈簧圈和離合器摩擦面易磨損，經(jīng)常出現(xiàn)商標(biāo)紙供給系統(tǒng)不向紙庫(kù)輸送商標(biāo)紙疊或送料堵塞等故障問(wèn)題。由于中國(guó)單純大量使用該機(jī)型卷煙包裝設(shè)備的生產(chǎn)廠家較少，對(duì)該故障問(wèn)題的研究及解決方案還處于空白。

龍巖煙草工業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)車(chē)間單純投入使用該機(jī)型設(shè)備已達(dá)14臺(tái)套。車(chē)間技術(shù)人員自行立項(xiàng)研究攻關(guān)，參考相關(guān)電磁離合器與電磁制動(dòng)器［2］、電磁離合器的改進(jìn)［3］、摩擦片式電磁離合器的測(cè)試及選用［4］等各方技術(shù)進(jìn)行維修處理和選型更換，但均未能使該故障得到有效解決。本試驗(yàn)采用以螺釘限位取代原限位環(huán)、以外掛式拉簧取代原彈簧圈的復(fù)位方式的技術(shù)改進(jìn)，擬解決該系統(tǒng)中的電磁離合器活動(dòng)摩擦片的限位環(huán)易移位且不易調(diào)整、復(fù)位彈簧圈易磨損和離合器摩擦面易磨損問(wèn)題。

1 工作原理及存在問(wèn)題原因分析

1.1 工作原理分析

1.1.1 小盒商標(biāo)紙疊供給傳動(dòng)原理 如圖1所示，由主傳動(dòng)傳遞過(guò)來(lái)的動(dòng)力經(jīng)一對(duì)圓錐齒輪Z1傳遞給軸Ⅰ1，經(jīng)聯(lián)軸器M1、M2、M3將動(dòng)力傳遞給電磁離合器M4。電磁離合器由電控系統(tǒng)控制，當(dāng)電磁離合器得電時(shí)，軸Ⅰ1的動(dòng)力經(jīng)電磁離合器傳遞給蝸桿Z2，蝸桿帶動(dòng)蝸輪Z3，蝸輪Z3帶動(dòng)軸Ⅰ2作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)了軸Ⅰ2上的凸輪T1、T2、T3。凸輪T1和T3控制商標(biāo)紙?zhí)崛《吠瓿缮虡?biāo)紙疊的供給，凸輪T1實(shí)現(xiàn)商標(biāo)紙疊提取斗的水平移動(dòng)，凸輪T3實(shí)現(xiàn)商標(biāo)紙疊提取斗的垂直運(yùn)動(dòng);凸輪T2實(shí)現(xiàn)商標(biāo)紙疊輸送帶的步進(jìn)進(jìn)給。

圖1 小盒商標(biāo)紙疊供給傳動(dòng)系統(tǒng)原理圖Figure 1 Schematic box trademark paper supply transmission system

圖2 商標(biāo)紙疊供給原理圖Figure 2 Trademark paper supply diagram

1.1.2 小盒商標(biāo)紙疊供給的工作原理 如圖2所示，電磁離合器的吸合和脫離通過(guò)商標(biāo)紙庫(kù)的一對(duì)光電管和電氣凸輪14控制。商標(biāo)紙疊由操作工放置在輸送帶9上，當(dāng)紙庫(kù)內(nèi)商標(biāo)紙到達(dá)一定位置時(shí)，兩對(duì)射式光電管導(dǎo)通，發(fā)出電信號(hào)，電控系統(tǒng)控制電磁離合器2吸合，主傳動(dòng)向商標(biāo)紙疊供給系統(tǒng)傳遞動(dòng)力，提取斗在凸輪4、7和齒輪的帶動(dòng)下向紙庫(kù)輸送商標(biāo)紙疊。當(dāng)電氣凸輪14壓下微動(dòng)開(kāi)關(guān)13時(shí)，電磁離合器2吸合和釋放由電氣凸輪控制。提取斗在回程到達(dá)最高點(diǎn)后，向商標(biāo)紙疊輸送皮帶靠近，提取斗運(yùn)行停止后，凸輪5通過(guò)滾子、擺桿、扇形齒輪、齒輪8、單向超越離合器帶動(dòng)皮帶輪，完成輸送帶向提取斗輸送商標(biāo)紙疊的步進(jìn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。當(dāng)電氣凸輪14的平面轉(zhuǎn)動(dòng)到微動(dòng)開(kāi)關(guān)13的滾輪下方時(shí)，微動(dòng)開(kāi)關(guān)復(fù)位，電磁離合器失電，主傳動(dòng)不向商標(biāo)紙疊供給系統(tǒng)提供動(dòng)力，商標(biāo)紙疊供給系統(tǒng)完成一次供料循環(huán)，等待下一次的供料循環(huán)。

正常工作時(shí)，蝸桿把主傳動(dòng)的動(dòng)力傳給蝸輪，向商標(biāo)紙疊供給系統(tǒng)傳遞動(dòng)力。若過(guò)載時(shí)，蝸桿克服壓縮彈簧壓力，沿軸向向上運(yùn)動(dòng)，檢測(cè)擋圈10隨蝸桿上移，檢測(cè)器12檢測(cè)到擋圈10后發(fā)出停機(jī)指令，同時(shí)電磁離合器失電。

1.2 問(wèn)題原因分析

如圖3所示，限位環(huán)10以緊配合的方式固定在齒輪12的齒頂上，限位環(huán)10起到兩種作用:

(1)對(duì)活動(dòng)摩擦盤(pán)11進(jìn)行限位。通過(guò)調(diào)整限位環(huán)在齒輪12的位置，以保證活動(dòng)摩擦盤(pán)和固定摩擦盤(pán)3之間的間隙及平行度。

圖3 原電磁離合器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Figure 3 Schematic diagram of the original electromagnetic clutch

(2)對(duì)活動(dòng)摩擦盤(pán)進(jìn)行復(fù)位。當(dāng)活動(dòng)摩擦盤(pán)11在電磁吸力作用與固定摩擦盤(pán)3吸合在一起時(shí)，由于內(nèi)齒輪盤(pán)4通過(guò)螺釘8與活動(dòng)摩擦盤(pán)11固定在一起，內(nèi)齒輪盤(pán)也隨著活動(dòng)摩擦盤(pán)往上運(yùn)動(dòng)。這樣對(duì)限位環(huán)10和內(nèi)齒輪盤(pán)4之間的彈簧圈9擠壓，彈簧圈對(duì)活動(dòng)摩擦盤(pán)產(chǎn)生向下復(fù)位的彈力。

活動(dòng)摩擦盤(pán)11和內(nèi)齒輪盤(pán)4通過(guò)4個(gè)螺釘緊固在一起，兩者為內(nèi)齒，均與齒輪12嚙合。當(dāng)電磁離合器得電時(shí)產(chǎn)生電磁吸力，活動(dòng)摩擦盤(pán)11在電磁吸力的作用下，克服自身重力和彈簧圈9的阻力向上運(yùn)動(dòng)，與電磁離合器的固定摩擦盤(pán)3吸合在一起，在這一過(guò)程中，限位環(huán)10受到內(nèi)齒輪盤(pán)4的撞擊力。當(dāng)電磁離合器失電時(shí)，活動(dòng)摩擦盤(pán)11在自身重力和彈簧圈9的彈力作用下，與固定摩擦盤(pán)分離下落，活動(dòng)摩擦盤(pán)下落時(shí)對(duì)限位環(huán)10產(chǎn)生撞擊力。而限位環(huán)10與齒輪12的齒頂為線性接觸，配合面積小，限位環(huán)受到撞擊力后，與齒輪12齒頂?shù)呐浜袭a(chǎn)生松動(dòng)，從而引起活動(dòng)摩擦盤(pán)11的內(nèi)齒與齒輪12嚙合的間隙變化。當(dāng)限位環(huán)10在齒輪12上的位置上移時(shí)，兩摩擦盤(pán)的間隙變小;而限位環(huán)10在齒輪12上的位置下移時(shí)，兩摩擦盤(pán)的間隙變大;限位環(huán)10在齒輪12上的位置變化后，還將造成活動(dòng)摩擦盤(pán)的吸合平面與固定摩擦盤(pán)的吸合平面不平行。

兩摩擦盤(pán)吸合面不在同一平面上或間隙過(guò)大，造成活動(dòng)摩擦盤(pán)無(wú)法被離合器產(chǎn)生的吸力向上吸合，無(wú)法將活動(dòng)摩擦盤(pán)的動(dòng)力傳遞給商標(biāo)紙疊傳動(dòng)系統(tǒng)。

兩摩擦盤(pán)吸合面不在同一平面上或摩擦盤(pán)間隙過(guò)小，離合器失電后，活動(dòng)摩擦盤(pán)不能及時(shí)與固定摩擦盤(pán)分離。彈簧圈在活動(dòng)摩擦盤(pán)頻繁的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，與內(nèi)齒輪盤(pán)4和限位環(huán)10產(chǎn)生摩擦斷裂后，起不到活動(dòng)摩擦盤(pán)的復(fù)位作用，活動(dòng)摩擦盤(pán)不能及時(shí)與固定摩擦盤(pán)分離。上述兩種情況均會(huì)使離合器在不得電時(shí)，活動(dòng)摩擦盤(pán)仍會(huì)將動(dòng)力傳遞給商標(biāo)紙疊供給傳動(dòng)系統(tǒng)，當(dāng)商標(biāo)紙疊供給傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)到微動(dòng)開(kāi)關(guān)被電氣凸輪壓下時(shí)，離合器得電，商標(biāo)紙疊供給傳動(dòng)系統(tǒng)由主傳動(dòng)傳遞動(dòng)力，提取斗再次向紙庫(kù)供料，此時(shí)由于紙庫(kù)內(nèi)商標(biāo)紙存量多，將造成提取斗過(guò)載故障。

2 改進(jìn)方法

2.1 商標(biāo)紙供料離合器改進(jìn)設(shè)計(jì)與實(shí)施

由于原電磁離合器的限位和復(fù)位方式存在缺陷，取消電磁離合器限位環(huán)和彈簧圈。如圖4所示，設(shè)計(jì)定位圓環(huán)8，用兩個(gè)M5×8的緊定螺釘將圓環(huán)固定在法蘭座11上，通過(guò)安裝在圓環(huán)上的4個(gè)M5×30螺釘16限位活動(dòng)摩擦盤(pán)4;以及在圓環(huán)上安裝4個(gè)螺釘7和在活動(dòng)摩擦盤(pán)上安裝4個(gè)拉簧掛架5，安裝4個(gè)拉簧6，對(duì)失電后的電磁離合器的活動(dòng)摩擦盤(pán)進(jìn)行復(fù)位。

圖4 設(shè)計(jì)改進(jìn)后電磁離合器結(jié)構(gòu)示意圖Figure 4 The improved design of electromagnetic clutch structure schematic diagram

改進(jìn)后電磁離合器的工作原理［5］:從主傳動(dòng)傳遞來(lái)的動(dòng)力經(jīng)聯(lián)軸器將動(dòng)力傳遞給法蘭19，法蘭19通過(guò)3個(gè)螺釘18與法蘭座11連接，法蘭座11又通過(guò)6個(gè)螺釘與齒輪14連接，由齒輪14將動(dòng)力傳遞給活動(dòng)摩擦盤(pán)4。當(dāng)電磁離合器得電時(shí)，在電磁吸力的作用下，活動(dòng)摩擦盤(pán)4克服拉簧6的拉力上移，從而帶動(dòng)固定摩擦盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，將動(dòng)力傳遞給商標(biāo)紙供料傳動(dòng)系統(tǒng);當(dāng)電磁離合器失電時(shí)，活動(dòng)摩擦盤(pán)4在自身重力和拉簧拉力的作用下，活動(dòng)摩擦盤(pán)快速下移，從而斷開(kāi)商標(biāo)紙供料傳動(dòng)系統(tǒng)與主傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力，停止向商標(biāo)紙庫(kù)供送商標(biāo)紙疊，活動(dòng)摩擦盤(pán)則隨主傳動(dòng)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.2 定位圓環(huán)設(shè)計(jì)

改變活動(dòng)摩擦盤(pán)的限位方式，選用牌號(hào)為L(zhǎng)Y6的鋁合金加工定位圓環(huán)［6］，利用調(diào)節(jié)螺釘來(lái)調(diào)節(jié)離合器摩擦面的間隙。利用此圓環(huán)代替限位環(huán)，用螺釘調(diào)整間隙，使得調(diào)整方便、快捷、準(zhǔn)確。定位圓環(huán)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖5。

2.3 拉簧掛架設(shè)計(jì)

由于取消了限位環(huán)，彈簧圈失去了復(fù)位活動(dòng)摩擦盤(pán)的作用，分析該離合器的安裝方式，活動(dòng)摩擦盤(pán)在下方，在沒(méi)有電磁吸力的情況下，活動(dòng)摩擦盤(pán)靠自重雖然可自行下落。但由于電磁離合器在失電后，存在“剩磁”現(xiàn)象，活動(dòng)摩擦盤(pán)不能快速與固定摩擦盤(pán)分離。設(shè)計(jì)外掛式拉簧用以確保在電磁離合器失電時(shí)，活動(dòng)摩擦盤(pán)能快速與固定摩擦盤(pán)分離。以避免彈簧圈磨損造成活動(dòng)摩擦盤(pán)不能分離的缺陷。拉簧掛架設(shè)計(jì)見(jiàn)圖6。

圖5 定位圓環(huán)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖Figure 5 Sketch of the positioning ring

圖6 拉簧掛架設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖Figure 6 Sketch of the spring hanger

拉簧掛架材料的選型［6］:1Cr18Ni9Ti。

2.4 拉簧的選型

彈簧在變應(yīng)力下工作，應(yīng)有較高的疲勞極限、屈服極限和足夠的沖擊韌性。彈簧在使用期限內(nèi)有足夠的強(qiáng)度，不產(chǎn)生永久變形，以及質(zhì)量輕、體積小。

對(duì)離合器改進(jìn)后，利用圖4中的4個(gè)調(diào)整螺釘11，在電磁離合器失電時(shí)，將兩摩擦盤(pán)的間隙調(diào)整為0.5 mm，此時(shí)測(cè)量拉簧掛架5和懸掛彈簧螺釘之間的距離為22 mm，故選用自由長(zhǎng)度H0＜22 mm的小型圓柱螺旋拉伸彈簧，并分別對(duì)材料直徑為0.35 mm和0.40 mm，彈簧中徑均為5.00 mm的6種規(guī)格的彈簧進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比。由表1可知，序號(hào)為1、4、5規(guī)格的彈簧，活動(dòng)摩擦盤(pán)均吸合、分離正常。對(duì)3種彈簧的拉伸量進(jìn)行比較:其中序號(hào)1彈簧的變形量為22.0 mm－12.5 mm=9.5 mm;序號(hào)4彈簧的變形量為22.0 mm－12.8 mm=9.2 mm;序號(hào)5彈簧的變形量為22.0 mm－14.8 mm=7.2 mm。

由于序號(hào)5的彈簧變形量較小，因此選用如圖7中材料為碳素彈簧鋼絲的小型圓柱螺旋拉伸彈簧［7］，型號(hào)為:L A 0.4 ×5.00 ×14.8 ×12.5(GB 1973.2—89)。

表1 小型圓柱螺旋拉伸彈簧選用試驗(yàn)對(duì)比表Table 1 Small cylindrically coiled tension spring selection table test

圖7 拉簧選型示意圖Figure 7 Schematic diagram of spring type

3 改進(jìn)效果驗(yàn)證及經(jīng)濟(jì)效益分析

表2是改造前32#ZB45型商標(biāo)紙供料離合器故障維修統(tǒng)計(jì)表。

由表2可知，2009年3月至2010年2月期間，32#ZB45型包裝機(jī)在改造前，該機(jī)共處理電磁離合器故障6次，維修花費(fèi)時(shí)間為350 min，故障維修時(shí)間長(zhǎng)，影響了設(shè)備生產(chǎn)效率，而且每年還需兩次停機(jī)檢修保養(yǎng)對(duì)電磁離合器活動(dòng)摩擦盤(pán)清潔、潤(rùn)滑。2010年4月對(duì)電磁離合器改進(jìn)后，于2012年4月對(duì)該機(jī)臺(tái)因電磁離合器故障引起的停機(jī)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在兩年期間，該機(jī)臺(tái)無(wú)因電磁離合器故障引起的停機(jī)，改造后，每年僅需一次對(duì)電磁離合器活動(dòng)摩擦盤(pán)清潔、潤(rùn)滑即可，且調(diào)整方便，節(jié)省維修人員工作量，大大提高了設(shè)備效率。

表2 改造前32#ZB45型商標(biāo)紙供料離合器故障維修統(tǒng)計(jì)表Table 2 The transformation of the former 32#ZB45 trademark paper feeding clutch failure repair statistics

該技術(shù)已進(jìn)一步推廣至龍巖煙草工業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)車(chē)間其余13臺(tái)ZB45型包裝機(jī)上應(yīng)用。從經(jīng)濟(jì)效益看:改造前，因限位環(huán)松動(dòng)或摩擦面磨損造成電磁離合器兩摩擦盤(pán)間隙無(wú)法調(diào)整需更換離合器。改造后，由于活動(dòng)摩擦盤(pán)限位和定位方式的改變，當(dāng)兩摩擦盤(pán)接觸表面磨損后，不需更換電磁離合器，通過(guò)調(diào)節(jié)螺釘，就能達(dá)到調(diào)整兩摩擦盤(pán)間隙的目的。電磁離合器價(jià)格6 146.72元/套，按龍巖煙草工業(yè)有限責(zé)任公司14臺(tái)設(shè)備計(jì)算，每年可節(jié)約維修費(fèi)用近9萬(wàn)元，達(dá)到改造的預(yù)期目的。

1 王峙，鄭路，劉亞麗.煙草機(jī)械與信息化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)［C］//中國(guó)煙草學(xué)會(huì).2009～2010煙草科學(xué)與技術(shù)學(xué)科發(fā)展報(bào)告.北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2010:135～146.

2 張偉.電磁離合器的改進(jìn)［J］.設(shè)備管理與維修，2006(6):40.

3 施嘉駿.電磁離合器與電磁制動(dòng)器［J］.裝備機(jī)械，2005(4):50～57.

4 于興芝，郭威.摩擦片式電磁離合器的測(cè)試及選用［J］.機(jī)械研究與應(yīng)用，2008(2):122～124.

5 上官同英.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)［M］.趙曼，任衛(wèi)東.北京:清華大學(xué)出版社，2009:242～244.

6 聞邦椿.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì).第5版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010:46～53.

7 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.第五版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2010:37～43.