YB65A 型硬條包裝機(jī)小盒煙包翻轉(zhuǎn)裝置的設(shè)計(jì)

陸宇楨，馬 立，呂小波*，刀榮貴，周 波，張進(jìn)武，吳 杰

1. 上海煙草機(jī)械有限責(zé)任公司，上海市浦東新區(qū)錦繡東路2555 號 201206

2. 紅塔煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司玉溪卷煙廠，云南省玉溪市紅塔區(qū)紅塔大道118 號 653100

為了適應(yīng)新的消費(fèi)形勢、滿足卷煙市場個(gè)性化需求，煙草行業(yè)提出了構(gòu)建中支卷煙[1-2]品類的發(fā)展方向。中支卷煙是介于常規(guī)卷煙與細(xì)支卷煙之間的一種卷煙品類，煙支周長20 mm（7 mm），比常規(guī)卷煙的24.5 mm（mm）圓周稍細(xì)，比細(xì)支卷煙的17 mm（mm）圓周稍粗，且在煙支長度上也有所變化。中支卷煙在降焦減害[3-4]、節(jié)能環(huán)保和降本增效等方面具有優(yōu)勢，并以其外觀新穎別致、焦油釋放量低獲得廣泛關(guān)注。在使用YB65A 型硬條包裝機(jī)對中支卷煙進(jìn)行包裝時(shí)，小盒煙包按照傳統(tǒng)的二五平包方式包裝，條盒長度達(dá)333 mm，厚度只有30 mm，由此造成卷煙銷售時(shí)陳列擺放不穩(wěn)、消費(fèi)者攜帶不便等問題。針對YB65A 包裝機(jī)已有較多研究，楊本才等[5-6]利用壓縮空氣對YB65A 包裝機(jī)送紙下通道進(jìn)行改造，提高了設(shè)備對條盒紙的適應(yīng)性及輸送的穩(wěn)定性；同時(shí)設(shè)計(jì)了長邊定位裝置，解決了條盒長邊封口折疊時(shí)折疊定位容易散開等問題；萬斌等[7]通過改變條盒紙庫托架尺寸、增加潤滑裝置和光纖檢測裝置，及時(shí)剔除不合格條盒；羅文成等[8]針對FOCKE350S 硬盒包裝機(jī)小盒煙包翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了反向轉(zhuǎn)動(dòng)的圓錐齒輪機(jī)構(gòu)和翻轉(zhuǎn)垂直塔部件，解決了小盒煙包透明紙拉線搭口位置互換等問題。但對于YB65A 包裝機(jī)小盒煙包翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的研究則鮮見報(bào)道。為此，設(shè)計(jì)了一種小盒煙包翻轉(zhuǎn)裝置，將二五平包方式改進(jìn)為立式包裝，旨在提高中支卷煙外觀包裝質(zhì)量，構(gòu)建適應(yīng)中支卷煙加工需求的多樣化生產(chǎn)線。

1 問題分析

YB65A 包裝機(jī)原采用二五平包包裝方式，見圖1。條盒包裝過程為：將包裹好透明紙并排列成“五包平列、上下兩層”的小盒煙包輸送到包裝位置，紙庫內(nèi)的條盒紙被吸取輸送到輸送裝置，上膠器對條盒紙的封口折邊進(jìn)行涂膠，然后條盒紙被輸送到包裝位置等待小盒煙包推入，包裝后的條盒紙打開方向?yàn)閭?cè)面，可以看到小盒煙包的底部或頂部。中支卷煙采用二五平包方式包裝后，條盒長度達(dá)333 mm，厚度僅有30 mm，在卷煙銷售陳列時(shí)容易擺放不穩(wěn)，消費(fèi)者也攜帶不方便，因此需要將二五平包方式改進(jìn)為立式包裝。

圖1 二五平包包裝方式示意圖Fig.1 Schematic diagram of horizontal packet arrangement in cigarette carton

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

改進(jìn)后在YB55A 型盒外透明紙包裝機(jī)與YB65A 型硬條包裝機(jī)之間設(shè)計(jì)了一種煙包翻轉(zhuǎn)裝置[9]，使YB55A 透明紙包裝機(jī)輸出的小盒煙包翻轉(zhuǎn)90°后進(jìn)入YB65A 包裝機(jī)輸入通道，見圖2。條盒立式包裝過程為：從YB55A 透明紙包裝機(jī)輸出的2 盒平放的小盒煙包，由推桿推入小盒煙包翻轉(zhuǎn)裝置，裝置夾持煙包翻轉(zhuǎn)90°后，再依次對其他小盒煙包翻轉(zhuǎn)90°，然后將10 包側(cè)立的煙包推入條盒紙包裝位置，完成條盒包裝。改進(jìn)后條盒紙打開方向?yàn)樯戏?，可以看到煙包?cè)面。

圖2 立式包裝方式示意圖Fig.2 Schematic diagram of vertical arrangement in cigarette carton

2.1 結(jié)構(gòu)組成

煙包翻轉(zhuǎn)裝置主要由往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。其中，往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括翻包凸輪、動(dòng)力輸出軸、導(dǎo)向桿、導(dǎo)軌、擺桿、滑座等部件，見圖3。在YB55A 型盒外透明紙包裝機(jī)的動(dòng)力輸出軸2 的帶動(dòng)下，翻包凸輪1 轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)擺桿5 擺動(dòng)；滑座7 安裝在導(dǎo)向桿3 上，沿著導(dǎo)向桿方向滑動(dòng)；擺桿5 與滑座7 通過連桿8 連接，擺桿5 擺動(dòng)帶動(dòng)滑座7 沿著導(dǎo)向桿3 滑動(dòng)；滑座7 兩邊分別安裝了導(dǎo)軌4，用于對滑座進(jìn)行導(dǎo)向和支撐；翻包模盒6安裝在滑座7 上，隨滑座一起滑動(dòng)。因此，通過翻包凸輪1 的轉(zhuǎn)動(dòng)最終實(shí)現(xiàn)翻包模盒6 的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

圖3 往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of reciprocating motion mechanism

翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括軸、翻包模盒、連桿、支架、滾子、固定凸輪等部件，見圖4。其中，連桿3 的一端安裝有滾子5，滾子嵌在固定凸輪6 的軌跡槽內(nèi)，連桿3 的另一端安裝在軸1 上，軸1 安裝在支架4 的孔內(nèi)，支架4 固定在滑座上，可以隨滑座做前后往復(fù)運(yùn)動(dòng)；翻包模盒2 安裝在軸1 上，當(dāng)支架4隨滑座做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，連桿3 在固定凸輪6 的作用下擺動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)翻包模盒2 轉(zhuǎn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)翻包模盒2 的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖4 翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of turning motion mechanism

2.2 翻包凸輪的設(shè)計(jì)

改進(jìn)后在YB55A 透明紙包裝機(jī)與YB65A 包裝機(jī)之間的拼接箱體內(nèi)增加了一個(gè)翻包凸輪。凸輪通過擺桿帶動(dòng)滑座前后移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)翻包模盒的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將平放的2 盒煙包翻轉(zhuǎn)90°后，送入YB65A 包裝機(jī)輸入通道進(jìn)行包裝。

2.2.1 滑座滑動(dòng)相位

由YB55A 透明紙包裝機(jī)相位表可知，輸出轉(zhuǎn)盤雙聯(lián)推桿的推進(jìn)相位是80°，因此滑座的停頓相位至少為80°。另外，根據(jù)雙聯(lián)推桿的行程及翻轉(zhuǎn)裝置卡口位置，得知滑座的位移行程為109 mm，由此可確定滑座滑動(dòng)相位，見圖5。

2.2.2 翻包凸輪運(yùn)動(dòng)軌跡

為確保翻包凸輪的工作性能，本設(shè)計(jì)中采用等躍度5 次項(xiàng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律[10]對滑座運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行優(yōu)化，運(yùn)動(dòng)方程式為：

圖5 滑座滑動(dòng)相位圖Fig.5 Diagram of sliding phase of sliding seat

式中：s 為從動(dòng)件位移，mm；h 為從動(dòng)件的最大運(yùn)動(dòng)距離，mm；φ 為角位移，（°），φ∈[0，φ]；φ 為推程角，（°）。回程段中，φ∈[0，140°]，h=109 mm，φ=140°；停頓段中，φ∈[0，80°]，h=109 mm，φ=80°；升程段中，φ∈[0，140°]，h=109 mm，φ=140°。

根據(jù)滑座運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)（圖6a），利用CREO軟件的模擬分析功能，繪制出翻包凸輪運(yùn)動(dòng)軌跡曲線（圖6b），并建立翻包凸輪模型。將翻包凸輪模型導(dǎo)入翻轉(zhuǎn)裝置，通過CREO 軟件的仿真功能，對滑座的運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明：由翻包凸輪帶動(dòng)并控制的滑座位移行程及相位關(guān)系準(zhǔn)確，能夠滿足煙包翻轉(zhuǎn)裝置的設(shè)計(jì)要求。

圖6 翻包凸輪的軌跡曲線Fig.6 Trajectory curve of packet turning cam

2.3 動(dòng)力機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

ZB45 型包裝機(jī)組輔機(jī)部分的動(dòng)力由安裝在YB55A 型盒外透明紙包裝機(jī)上的電機(jī)提供，輸出軸將動(dòng)力輸出后通過萬向聯(lián)軸器及斜齒輪分別傳遞給YB65A 型硬條包裝機(jī)和YB95A 型條外透明紙包裝機(jī)。為了在YB55A 型盒外透明紙包裝機(jī)與YB65A 型硬條包裝機(jī)之間增加煙包翻轉(zhuǎn)裝置，重新設(shè)計(jì)了傳動(dòng)軸1，在傳動(dòng)軸1 上安裝法蘭2，翻包凸輪3 與法蘭2 用螺釘連接，見圖7。調(diào)整時(shí)，松開螺釘，轉(zhuǎn)動(dòng)凸輪即可調(diào)整起止相位。在傳動(dòng)軸1 的末端，安裝有萬向聯(lián)軸器4，通過萬向聯(lián)軸器4，將動(dòng)力傳遞給YB65A 型硬條包裝機(jī)。

圖7 改進(jìn)后的動(dòng)力傳遞圖Fig.7 Diagram of power transmission after modification

2.4 進(jìn)包通道的優(yōu)化

小盒煙包由水平位置進(jìn)入翻包模盒后，始終被左、右擋塊夾持，防止煙包在翻轉(zhuǎn)過程中掉落，見圖8。為了使煙包從翻包模盒中順利分離，對進(jìn)包通道進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。改進(jìn)后煙包分離機(jī)構(gòu)主要由上、下掛鉤和左、右擋板組成，見圖9。上、下掛鉤的預(yù)緊力由彈簧提供。翻包模盒翻轉(zhuǎn)90°后，在翻包凸輪的帶動(dòng)下繼續(xù)沿水平方向運(yùn)動(dòng)，在此過程中，通過左、右擋板將夾持煙包的左、右擋塊逐漸打開。當(dāng)翻包模盒到達(dá)行程終點(diǎn)時(shí)，左、右擋塊完全打開，再由下掛鉤和上掛鉤對煙包進(jìn)行定位，保證煙包在終點(diǎn)處呈側(cè)立狀態(tài)。

圖8 左右擋塊安裝位置圖Fig.8 Installation location of left and right blocking blocks

圖9 小盒煙包分離機(jī)構(gòu)示意圖Fig.9 Schematic diagram of cigarette packet separating mechanism

3 應(yīng)用效果

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

材料：“玉溪（中支阿詩瑪）”、“玉溪（中支和諧）”牌卷煙[紅塔煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司玉溪卷煙廠提供]。

設(shè)備：ZB45 包裝機(jī)組（上海煙草機(jī)械有限責(zé)任公司）。

方法：根據(jù)卷煙企業(yè)對標(biāo)指標(biāo)計(jì)算公式及設(shè)備信息管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)，包裝設(shè)備運(yùn)行效率=機(jī)組產(chǎn)量/（實(shí)際運(yùn)行時(shí)間-停機(jī)時(shí)間）/理論臺時(shí)×100%，其中外部原因停機(jī)時(shí)間=換號時(shí)間+日保養(yǎng)時(shí)間+試驗(yàn)時(shí)間+班前保養(yǎng)時(shí)間+水電氣影響時(shí)間+吃飯停機(jī)時(shí)間，理論臺時(shí)=6 箱/h（1 箱=50 000支）。ZB45 包裝機(jī)組中YB65A 型硬條包裝機(jī)煙包翻轉(zhuǎn)裝置安裝調(diào)試完成后，按250 包/min 生產(chǎn)速度運(yùn)行，分別統(tǒng)計(jì)改進(jìn)前后各3 個(gè)月的設(shè)備運(yùn)行效率。根據(jù)GB5606—2005《卷煙》系列國家標(biāo)準(zhǔn)[11]對條盒外觀質(zhì)量進(jìn)行檢測。

3.2 數(shù)據(jù)分析

改進(jìn)后ZB45 包裝機(jī)組實(shí)現(xiàn)了小盒煙包立式包裝生產(chǎn)，條盒外觀質(zhì)量滿足工藝要求。由表1可見，設(shè)備運(yùn)行效率由改進(jìn)前的76.86%提高到85.40%，改進(jìn)后減少了設(shè)備實(shí)際運(yùn)行時(shí)間和停機(jī)時(shí)間。機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)，保證了生產(chǎn)正常運(yùn)行。

表1 改進(jìn)前和改進(jìn)后設(shè)備運(yùn)行效率對比Tab.1 Comparison of equipment running efficiency before and after modification

4 結(jié)論

基于凸輪機(jī)構(gòu)往復(fù)式運(yùn)動(dòng)特征，設(shè)計(jì)了一種小盒煙包翻轉(zhuǎn)裝置，利用翻包模盒攜帶小盒煙包實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，將小盒煙包的包裝方式由二五平包改為立式包裝，解決了陳列銷售時(shí)條盒擺放不穩(wěn)、攜帶不方便等問題。以ZB45 包裝機(jī)組生產(chǎn)的“玉溪”牌卷煙為對象進(jìn)行測試，結(jié)果表明：翻轉(zhuǎn)裝置可以準(zhǔn)確地將兩包水平放置的小盒煙包翻轉(zhuǎn)90°，實(shí)現(xiàn)小盒煙包立式包裝方式，條盒外觀質(zhì)量滿足工藝要求，包裝機(jī)組運(yùn)行效率由76.86%提高到85.40%，有效提高了包裝機(jī)組的生產(chǎn)適應(yīng)性。