YB25型卷煙包裝機(jī)煙包轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)改進(jìn)

賀 韌 田 森 田 晶 張 寧 賀圣越

(湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430050)

YB25型軟盒包裝機(jī)由上海煙機(jī)廠于20世紀(jì)90年代引進(jìn)，被廣泛應(yīng)用于中國(guó)卷煙生產(chǎn)企業(yè)[1-3]，其獨(dú)有的煙包轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)位于主機(jī)橫向通道的尾部，連接橫向出口通道和煙包輸送皮帶，其核心作用主要包括三大部分[4]：① 煙包分離，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)利用變速運(yùn)動(dòng)特性從通道內(nèi)部逐包取出連續(xù)緊貼的煙包，并分別輸送至輸送帶上，從而實(shí)現(xiàn)煙包的分離，便于煙包輸送與檢測(cè)；② 煙包調(diào)頭，YB25主機(jī)出口通道內(nèi)的煙包的濾嘴端朝向機(jī)器內(nèi)側(cè)，且煙包的條碼側(cè)朝下，不便于檢測(cè)，而出口轉(zhuǎn)盤利用旋轉(zhuǎn)特性，將煙包180°旋轉(zhuǎn)，使條碼朝上，實(shí)現(xiàn)煙包的調(diào)頭；③ 煙包剔除，轉(zhuǎn)出盤的弧形通道中部有一個(gè)活動(dòng)剔除裝置，包裝過(guò)程中產(chǎn)生的不合格煙包隨出口轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，剔除裝置打開，煙包在離心力作用下被甩出，實(shí)現(xiàn)廢煙包剔除。由于煙機(jī)設(shè)備的特殊性，對(duì)煙包轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的改進(jìn)研究無(wú)跡可尋，而轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)在生產(chǎn)過(guò)程中損壞和導(dǎo)致煙包質(zhì)量缺陷現(xiàn)象卻時(shí)有發(fā)生。文章擬通過(guò)分析轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)各零部件的磨損情況，分析機(jī)構(gòu)存在的設(shè)計(jì)缺陷，并針對(duì)相應(yīng)零部件進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

1 工作原理

如圖1所示，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)主要由動(dòng)力輸入軸1、太陽(yáng)輪2、行星輪3、配重塊4、偏心軸5、偏心軸連桿6、變速輸出轉(zhuǎn)盤7、煙包輸出轉(zhuǎn)盤8、離合器壓緊彈簧9、鋼球離合器10組成，動(dòng)力輸入軸1與空心太陽(yáng)輪2同軸心裝配，太陽(yáng)輪2固定在機(jī)器座上，在機(jī)構(gòu)運(yùn)行過(guò)程中保持靜止?fàn)顟B(tài)；傳動(dòng)原理[4]：當(dāng)動(dòng)力輸入軸1轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)固定于其一端的配重塊4轉(zhuǎn)動(dòng)，而偏心軸5安裝于配重塊4的軸承孔，其末端固定行星輪3，故配重塊4帶動(dòng)偏心軸5和行星輪3繞太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，由于行星輪3與太陽(yáng)輪2嚙合，行星輪3轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)帶動(dòng)偏心軸5繞旋轉(zhuǎn)中心自轉(zhuǎn)，而偏心軸連桿6套在偏心軸5上，另一頭與變速輸出轉(zhuǎn)盤7通過(guò)直銷相聯(lián)接，故偏心軸5轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，將動(dòng)力通過(guò)直銷傳遞給變速輸出轉(zhuǎn)盤7，最終將動(dòng)力傳輸給安裝于變速輸出轉(zhuǎn)盤7上的煙包輸出轉(zhuǎn)盤8；離合器壓緊彈簧9在運(yùn)行過(guò)程中提供預(yù)緊力，配合鋼球離合器10以防傳動(dòng)過(guò)載，保護(hù)機(jī)構(gòu)正常運(yùn)行。

圖2為偏心軸的速度測(cè)量位置和速度測(cè)量結(jié)果曲線圖，通過(guò)運(yùn)動(dòng)速度曲線可以看出，偏心軸在運(yùn)動(dòng)中的輸出絕對(duì)速度不斷變化，因此偏心軸驅(qū)動(dòng)的下級(jí)零件也跟著做變速運(yùn)動(dòng)，即煙包輸出轉(zhuǎn)盤做變速運(yùn)動(dòng)。其作用原理為：慢速接觸煙包，防止高速轉(zhuǎn)動(dòng)撞彎煙支，接觸到煙包之后，再加速輸出煙包，達(dá)到既能保護(hù)煙支又能快速輸出煙包的目的。

1.動(dòng)力輸入軸 2.太陽(yáng)輪 3.行星輪 4.配重塊 5.偏心軸 6.偏心軸連桿 7.變速輸出轉(zhuǎn)盤 8.煙包輸出轉(zhuǎn)盤 9.離合器壓緊彈簧 10.鋼球離合器圖1 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Schematic diagram of the steering mechanism

圖2 偏心軸速度曲線圖Figure 2 Speed curve of eccentric shaft

2 存在問題

YB25型軟盒包裝機(jī)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)在卷煙生產(chǎn)中出現(xiàn)故障后，不僅會(huì)由于維修影響產(chǎn)量，還會(huì)產(chǎn)生廢煙造成物料浪費(fèi)，以及產(chǎn)生質(zhì)量隱患[5-8]，此外，維修后的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)依靠肉眼觀察標(biāo)記安裝曲軸，人為誤差較大，相位安裝檢查只能依靠開機(jī)驗(yàn)證，會(huì)造成調(diào)試時(shí)間大大增加，因此必須保證轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)具有良好的穩(wěn)定性以及低故障率。

為探究YB25型軟盒包裝機(jī)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)故障情況，對(duì)2020年全年車間4臺(tái)YB25型軟盒包裝機(jī)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)故障及其導(dǎo)致的煙包缺陷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖3所示，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)故障次數(shù)達(dá)78次，主要障故形式為行星輪組件損壞與離合器組件損壞，其中離合器相關(guān)組件故障最為顯著，占轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)故障率的74.4%；全年由轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)導(dǎo)致的煙包質(zhì)量缺陷達(dá)到了758包，存在嚴(yán)重質(zhì)量隱患。

圖3 2020年車間4臺(tái)YB25型軟盒包裝機(jī)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)故障及其損傷煙包情況Figure 3 Steering mechanism failure and damaged cigarette packs of four YB25 flexible box packaging machines in the workshop in 2020

對(duì)故障進(jìn)一步分析，行星輪組件損壞分為配重塊軸承損壞與偏心軸連桿磨損；離合器組件損壞分為離合器鋼球和定位孔磨損、離合器鋼球壓板翹曲以及離合器咬死。

3 原因分析

3.1 非對(duì)稱偏心結(jié)構(gòu)缺陷

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的變速運(yùn)動(dòng)是通過(guò)偏心曲柄實(shí)現(xiàn)的，非對(duì)稱偏心結(jié)構(gòu)有如下缺點(diǎn)：偏心曲柄結(jié)構(gòu)在變速運(yùn)動(dòng)中，動(dòng)量不平衡，機(jī)器運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的震動(dòng)劇烈，為了達(dá)到動(dòng)量平衡，機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用了增加配重塊來(lái)抵消部分沖擊(如圖4所示)，但是配重塊的重量固定，因而其產(chǎn)生的動(dòng)量也是固定的，而偏心曲柄結(jié)構(gòu)變速運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量是不斷變化的，因此配重塊無(wú)法徹底消除偏心變速運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的震動(dòng)沖擊，相反，增加的配重反而引入了多余的負(fù)載，導(dǎo)致輸出轉(zhuǎn)盤安裝底盤的銷釘承受更大的沖擊力而更加容易磨損甚至斷裂。

圖4 偏心結(jié)構(gòu)Figure 4 Eccentric structure and damage caused by eccentric structure

變速運(yùn)動(dòng)和配重塊引入的動(dòng)量變化，不僅僅造成機(jī)械振動(dòng)劇烈，而且會(huì)造成轉(zhuǎn)出盤離合器必須增加更大的預(yù)緊力和更大的自重，增加預(yù)緊力和自重會(huì)加重鋼球和鋼套的磨損，使整個(gè)離合器的壽命直線下降。

此外，太陽(yáng)輪的安裝法蘭直徑大于齒輪的大徑，因此太陽(yáng)輪只能采用插齒加工。而插齒加工的齒輪運(yùn)動(dòng)精度較低，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性差，噪聲大，其齒輪嚙合噪聲占到出口轉(zhuǎn)盤總噪聲的1/3，嚴(yán)重?fù)p害了操作人員的身體健康。

3.2 鋼球式離合器缺陷

原轉(zhuǎn)出盤機(jī)構(gòu)采用鋼球式離合器，在其輸出轉(zhuǎn)盤底座和輸出轉(zhuǎn)盤的對(duì)應(yīng)位置上設(shè)置了3個(gè)鋼套，在此布置鋼球式離合器存在如下問題：

(1)鋼球離合器鋼珠為點(diǎn)線接觸，容易損壞。如圖5所示，鋼球式離合器在旋轉(zhuǎn)方向的切線方向上，鋼球和鋼套是點(diǎn)接觸或線接觸，接觸面積小，壓強(qiáng)大，很容易造成鋼球和鋼套的點(diǎn)蝕磨損，最終會(huì)導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，鋼球和鋼套之間存在微動(dòng)摩擦，會(huì)更進(jìn)一步造成磨損加劇，同時(shí)造成轉(zhuǎn)出盤運(yùn)動(dòng)噪聲劇烈提升。

圖5 鋼球離合器接觸線Figure 5 Contact wire of steel ball clutch

(2)轉(zhuǎn)出盤的3個(gè)鋼球不在同一圓弧上，即鋼球距離旋轉(zhuǎn)中心的距離不一致，導(dǎo)致3個(gè)鋼球在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受力不均，磨損不一致，從而會(huì)加劇鋼球和鋼套的磨損甚至卡死。此外，3個(gè)鋼球的受力不平衡，會(huì)導(dǎo)致其中的某個(gè)鋼球不受力，造成離合器在正常開機(jī)狀態(tài)下跳開，此時(shí)操作人員必須加大彈簧壓縮量，過(guò)重的彈簧預(yù)緊力導(dǎo)致離合器離合困難，在撞擊下甚至不跳開，導(dǎo)致箱體內(nèi)主傳動(dòng)齒輪出現(xiàn)斷齒故障，影響整機(jī)使用壽命。

4 改進(jìn)措施

4.1 采用三點(diǎn)式對(duì)稱偏心結(jié)構(gòu)行星輪系

若從結(jié)構(gòu)中去掉配重塊，即可解決行星輪系的故障高的問題。根據(jù)三點(diǎn)決定一個(gè)圓的定理，若將轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)行星輪系與中心太陽(yáng)輪匹配行星輪數(shù)量由改進(jìn)前的1個(gè)改進(jìn)為對(duì)稱3個(gè)[9-10]，并采用磨齒加工，使齒輪的傳動(dòng)準(zhǔn)確性提升，降低速度波動(dòng)；三點(diǎn)式偏心結(jié)構(gòu)避免使用配重機(jī)構(gòu)，降低整個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的負(fù)載，3個(gè)輪系回轉(zhuǎn)更容易形成靜平衡和動(dòng)平衡，動(dòng)平衡后3個(gè)行星輪在太陽(yáng)輪上的受力一樣，可使整個(gè)機(jī)構(gòu)的震動(dòng)和噪聲大幅減小。

采用3個(gè)曲柄驅(qū)動(dòng)，內(nèi)應(yīng)力小，連桿受力小，運(yùn)動(dòng)更平穩(wěn)，穩(wěn)定性更高，轉(zhuǎn)動(dòng)更輕；此外，采用3個(gè)曲柄驅(qū)動(dòng)，使得銷釘?shù)氖芰H為原來(lái)的1/3，大大提升了銷釘?shù)氖褂脡勖?。行星輪系改進(jìn)前后結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 改進(jìn)前后行星輪系結(jié)構(gòu)圖Figure 6 Structure diagram of planetary gear train before and after improvement

4.2 設(shè)計(jì)專用離合器機(jī)構(gòu)

由于原轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)鋼球離合器運(yùn)行過(guò)程為線接觸，且鋼球不同圓易磨損導(dǎo)致離合器故障率高，故考慮放棄原鋼球離合器，設(shè)計(jì)新型專用離合器。

4.2.1 采用兩個(gè)斜面—導(dǎo)柱式離合 首先考慮增大離合器受力面積，受力面積增大，壓強(qiáng)大幅度減小，在脫開時(shí)的沖擊力降低，從而減少單次脫開對(duì)離合器的磨損，可大幅度提升使用壽命，故采用表面與底座表面采用面接觸的斜面—導(dǎo)柱式離合[11-12]，并設(shè)計(jì)自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，根據(jù)斜面的位置自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，提升離合器的嚙合精度。

脫開聯(lián)接點(diǎn)由改進(jìn)前的3個(gè)鋼球改進(jìn)為兩個(gè)導(dǎo)柱，可以自適應(yīng)微偏轉(zhuǎn)，且每個(gè)導(dǎo)柱導(dǎo)向比高，導(dǎo)向性好，使整個(gè)離合裝置受力更加均衡，穩(wěn)定性更好。此外，離合器轉(zhuǎn)盤與輸出從動(dòng)件之間增加減震機(jī)構(gòu)，增加離合器的運(yùn)動(dòng)柔性，從而大大降低運(yùn)動(dòng)噪聲。改進(jìn)前后的離合器結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

圖7 改進(jìn)后離合器結(jié)構(gòu)圖Figure 7 Structure diagram of clutch before and after improvement

4.2.2 采用彈簧 由于大彈簧預(yù)緊力范圍小，易導(dǎo)致主傳動(dòng)齒輪斷齒故障，故考慮采用新結(jié)構(gòu)彈簧代替原大彈簧。采用由12個(gè)小彈簧構(gòu)成的組合型微彈簧組代替大彈簧，可以有效實(shí)現(xiàn)彈簧的力度配比，使彈簧預(yù)緊力調(diào)節(jié)更輕松便捷，且受力更均勻準(zhǔn)確。

小彈簧采用截面厚度為1 mm的扁平彈簧，相比圓柱彈簧，不僅降低彈簧結(jié)構(gòu)尺寸，壓縮比值更小，抗疲勞強(qiáng)度更高。其改進(jìn)前后結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 離合器彈簧結(jié)構(gòu)改進(jìn)示意圖Figure 8 Schematic diagram of clutch spring structure before and after improvement

5 效果驗(yàn)證

5.1 煙包質(zhì)量

為了驗(yàn)證改進(jìn)效果，針對(duì)車間4臺(tái)YB25型軟盒包裝機(jī)，對(duì)改進(jìn)前后6個(gè)月由于轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)導(dǎo)致的煙包質(zhì)量缺陷數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖9所示，可以發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)改進(jìn)后，6個(gè)月內(nèi)由于轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)導(dǎo)致的煙包質(zhì)量缺陷僅為43包，相較于改進(jìn)前數(shù)量大大降低，煙包質(zhì)量隱患降低。

圖9 改進(jìn)后轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)導(dǎo)致的質(zhì)量缺陷煙包統(tǒng)計(jì)圖Figure 9 Statistics of quality defect cigarette packs caused by the improved steering mechanism

5.2 維修保養(yǎng)

為了對(duì)比改進(jìn)前后的運(yùn)動(dòng)特性的改變，技術(shù)人員對(duì)改進(jìn)前后變速輸出轉(zhuǎn)盤的銷釘進(jìn)行了受力分析，并繪制了受力曲線，如圖10所示。

由圖10可知，新輸出轉(zhuǎn)盤銷釘?shù)氖芰h(yuǎn)遠(yuǎn)低于舊輸出轉(zhuǎn)盤(155 N)，銷釘?shù)姆逯凳芰H為(55 N)，約原來(lái)的1/3，運(yùn)動(dòng)更平穩(wěn)，零件受到的沖擊更小，因此各零件的使用壽命大幅度提升，從而可以大大降低維修次數(shù)，設(shè)備耐久性增強(qiáng)，保養(yǎng)頻次由改進(jìn)前的每月1次延長(zhǎng)為每年1次。

圖10 改進(jìn)前后銷釘受力分析圖Figure 10 Stress analysis of brad before and after improvement

新轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)采用3個(gè)行星輪結(jié)構(gòu)，所有行星輪和太陽(yáng)輪的齒均設(shè)置了相關(guān)標(biāo)記，在調(diào)節(jié)過(guò)程中，只需要按照對(duì)應(yīng)的齒標(biāo)記裝入即可，無(wú)需反復(fù)調(diào)節(jié)，降低了調(diào)節(jié)難度，拆裝時(shí)間由72 min/次降為18 min/次。

此外，新轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)行星輪系和離合器的運(yùn)動(dòng)精度都大幅度提升，同時(shí)在離合器的關(guān)鍵位置還設(shè)置了減震機(jī)構(gòu)，因此在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的噪聲顯著下降。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，其運(yùn)轉(zhuǎn)噪音由83 dB降為37 dB。

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)YB25軟盒包裝機(jī)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)故障點(diǎn)機(jī)構(gòu)特性進(jìn)行分析，找出了轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)故障原因，采用三點(diǎn)式對(duì)稱偏心結(jié)構(gòu)行星輪系以及設(shè)計(jì)新型專用離合器，完成了煙包轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的改進(jìn)，有效地降低了轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的故障率，減少了維修時(shí)間，降低了質(zhì)量隱患，減小了設(shè)備噪音，改進(jìn)效果顯著。