基于柔性耦合技術(shù)的YB45型包裝機(jī)內(nèi)襯紙展開制動(dòng)裝置的研究

賀韌，湯世祥，付繼業(yè)，田晶，張宏，金亞龍

（1.湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430040；2.湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司三峽卷煙廠，湖北 宜昌 443100）

1 前言

如何全力推動(dòng)高質(zhì)量發(fā)展，嚴(yán)格管控各生產(chǎn)環(huán)節(jié)，提高產(chǎn)品質(zhì)量是整個(gè)煙草行業(yè)的工作重點(diǎn)內(nèi)容之一。國(guó)家局黨組緊密結(jié)合行業(yè)實(shí)際，制定印發(fā)了《關(guān)于建設(shè)現(xiàn)代化煙草經(jīng)濟(jì)體系推動(dòng)煙草行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的實(shí)施意見》，該意見充分表明了堅(jiān)持質(zhì)量第一價(jià)值導(dǎo)向，樹立全員質(zhì)量觀、條線質(zhì)量觀、整體質(zhì)量觀，大力實(shí)施質(zhì)量提升行動(dòng)，努力提高全員、全過程、全要素質(zhì)量控制水平的整體要求，為推進(jìn)企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供了充分的指導(dǎo)依據(jù)。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者及管理人員圍繞如何踐行高質(zhì)量發(fā)展做了一些工作和研究。鍛鐵力從整個(gè)行業(yè)全局出發(fā)，對(duì)整個(gè)行業(yè)如何勠力同心推進(jìn)行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展做了深入思考。許明忠圍繞如何建設(shè)“七個(gè)體系”推動(dòng)浙江中煙高質(zhì)量發(fā)展進(jìn)行了深入淺出的研究。沈繼權(quán)借鑒YB45型硬盒包裝機(jī)的內(nèi)襯紙輸送結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),采用真空吸風(fēng)帶式內(nèi)襯紙輸送方式對(duì)YB25型包裝機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)，較好地解決了內(nèi)襯紙跑偏問題,減少了煙包質(zhì)量缺陷,提高了YB25型軟盒包裝機(jī)對(duì)不同規(guī)格內(nèi)襯紙材料的適應(yīng)性。聶建立針對(duì)YB45包裝機(jī)在生產(chǎn)過程中，內(nèi)襯紙?zhí)蕹到y(tǒng)存在推桿端沖擊變形、電磁鐵積灰等問題，通過以氣缸驅(qū)動(dòng)代替電磁鐵驅(qū)動(dòng)有效解決了該問題，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗的生產(chǎn)目的。費(fèi)橙橙針對(duì)YB45型包裝機(jī)框架紙?jiān)趥魉瓦^程中位置偏移的問題，通過對(duì)框架紙吸風(fēng)腳的改進(jìn)，由此提高框架紙傳送過程中吸附穩(wěn)定性，解決了因框架紙傳送過程中位置偏移而引起停機(jī)及產(chǎn)品品質(zhì)問題。張慶春等人研究了YB45硬盒包裝機(jī)內(nèi)襯紙輸送加速輥壓力不可調(diào)整，導(dǎo)致橡膠加速輥磨損后，輥對(duì)之間壓力不夠時(shí)，造成內(nèi)襯紙堵塞或下紙歪斜等問題，設(shè)計(jì)了加速輪可調(diào)裝置，從而減少加速輥磨損停機(jī)換件時(shí)間、換件消耗，一定程度上提高了設(shè)備運(yùn)行效率。郭建娟深入分析了YB45型硬盒包裝機(jī)內(nèi)襯紙下紙裝置堵塞而停機(jī)的原因后發(fā)現(xiàn)內(nèi)襯紙縱向向外彎曲和水平向外彎成M形,使內(nèi)襯紙撞上擋板造成下紙堵塞而停機(jī)。因此，針對(duì)內(nèi)襯紙下紙裝置中壓痕結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn),合理調(diào)整滾輪尺寸,保證了內(nèi)襯紙下紙的通暢,使停機(jī)頻率從改進(jìn)前的8.1%下降為3.1%。

鄧超、陳亮研究分析了操作人員在手動(dòng)下壓關(guān)閉門架時(shí)，使相對(duì)應(yīng)的輸送滾輪上的刻痕槽線發(fā)生碰撞而斷裂，使輸送滾輪損壞，造成內(nèi)框紙刻痕損傷的原因。通過對(duì)YB45包裝機(jī)內(nèi)框紙切割輸送機(jī)構(gòu)活動(dòng)門架開合方式的改進(jìn)，改變直接用手關(guān)閉活動(dòng)門架的方式，而采用液壓驅(qū)動(dòng)來保證活動(dòng)門架的平穩(wěn)下落，避免因用力按壓門架造成的輸送滾輪上刻痕槽線的磕碰損壞，解決了內(nèi)框紙輸送滾輪頻繁損壞的問題，延長(zhǎng)了輸送滾輪的使用壽命，保證內(nèi)框紙弧邊刻痕的質(zhì)量穩(wěn)定。

但是針對(duì)YB45包裝機(jī)內(nèi)襯紙展開制動(dòng)裝置的研究相對(duì)較少。因此，進(jìn)一步深入開展YB45包裝機(jī)內(nèi)襯紙展開制動(dòng)裝置研究具有重要意義。本文針對(duì)內(nèi)襯紙展開制動(dòng)裝置使用一段時(shí)間后制動(dòng)效果持續(xù)下降、放卷過程失控頻率逐步增加的問題進(jìn)行了深入分析，并對(duì)內(nèi)襯紙展開制動(dòng)裝置進(jìn)行了改進(jìn)，應(yīng)用了柔性耦合技術(shù)的內(nèi)襯紙展開制動(dòng)裝置有效降低了內(nèi)襯紙輸送故障率，進(jìn)一步為企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)降本增效提供了堅(jiān)實(shí)的保障。

2 內(nèi)襯紙缺陷分析

通過長(zhǎng)期觀察發(fā)現(xiàn)，隨之包裝機(jī)逐漸老化，內(nèi)襯紙展開制動(dòng)裝置造成的輸送故障頻次逐年增高，圖1為2016年1～12月的內(nèi)襯紙輸送故障折線圖。

圖1 2016年1～12月的內(nèi)襯紙輸送故障折線圖

由于內(nèi)襯紙輸送速度保持在一個(gè)恒定值，隨著內(nèi)襯紙卷筒上紙張不斷消耗，內(nèi)襯紙卷筒直徑逐漸縮小，對(duì)制動(dòng)裝置的制動(dòng)力需求隨之不斷變化。但是，目前該裝置存在如下幾個(gè)方面的缺陷：

（1）制動(dòng)片工作弧度過小。制動(dòng)鼓的外圓周長(zhǎng)約為1112mm，而制動(dòng)片的弧長(zhǎng)為44mm，在全接觸的情況下制動(dòng)包角僅為14°。

（2）制動(dòng)力波動(dòng)幅度過大，破壞了與內(nèi)襯紙相對(duì)恒定的牽引力之間的力矩動(dòng)平衡。制動(dòng)片工作行程與制動(dòng)力成反比。制動(dòng)片弧長(zhǎng)較小，制動(dòng)有效行程短，其制動(dòng)力就較大。當(dāng)制動(dòng)力達(dá)到一定峰值，會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)抱死，卷筒由高速旋轉(zhuǎn)突然進(jìn)入靜止?fàn)顟B(tài)，壓花輥對(duì)與送紙輥對(duì)突然受到較大的反作用力，會(huì)導(dǎo)致內(nèi)襯紙輸送停頓或者內(nèi)襯紙帶斷裂。而當(dāng)卷筒由瞬時(shí)停頓快速進(jìn)入高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，擺臂卷筒擺動(dòng)到極限，各拉簧、壓簧也快速拉伸或壓縮至極限，擺臂失去緩沖作用，卷筒將由壓花輥對(duì)、輸送輥對(duì)直接拉動(dòng)，卷筒瞬時(shí)加速至等于乃至大于內(nèi)襯紙展開的速度，內(nèi)襯紙脫離各導(dǎo)向輥，失去導(dǎo)向輥牽引的內(nèi)襯紙將左右偏移，造成內(nèi)襯紙搭口長(zhǎng)短不一或輸送堵塞。

（3）制動(dòng)片施加在制動(dòng)鼓上的正壓力較大。制動(dòng)片工作面材質(zhì)為石棉、鋼絲，沒有彈性，其與制動(dòng)鼓配合屬于剛性接觸、硬摩擦。為保證制動(dòng)效果，這就要求制動(dòng)片施加在鼓上的正壓力足夠大，從而加劇了制動(dòng)鼓的磨損。

（4）制動(dòng)鼓磨損不均勻，圓度逐漸下降。制動(dòng)時(shí)片與鼓為點(diǎn)剎，接觸面積小，制動(dòng)力又較大，造成制動(dòng)鼓外圓局部摩擦強(qiáng)烈，磨損程度不一，圓度下降，更加劇其與制動(dòng)片接觸不良，制動(dòng)性能持續(xù)下降。必須定期更換制動(dòng)鼓，成本較高。

綜上所述，可以初步推斷，制動(dòng)片工作弧度過小、施加的正壓力過大、制動(dòng)力波動(dòng)幅度大以及剛性點(diǎn)剎制動(dòng)均是導(dǎo)致內(nèi)襯紙展開制動(dòng)效果下降的主要因素。

3 設(shè)計(jì)思路及方案

3.1 設(shè)計(jì)思路

采用帶式柔性制動(dòng)裝置延長(zhǎng)柔性帶，保證其在較大包角范圍內(nèi)工作時(shí)達(dá)到相同制動(dòng)效果。運(yùn)行過程中，隨著制動(dòng)面積的增加，施加在制動(dòng)鼓上的正壓力隨之減小。正壓力減小保證制動(dòng)力波動(dòng)幅度較小，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)片制動(dòng)與釋放緩慢交替，維持制動(dòng)力與內(nèi)襯紙牽引力之間力矩動(dòng)態(tài)平衡，確保了內(nèi)襯紙卷筒在輸送過程中始終處于張緊狀態(tài)，消除了內(nèi)襯紙?jiān)谳斔瓦^程中因張力瞬間突變而松弛造成的偏移。

帶式制動(dòng)剎車裝置的原理如圖2所示。

圖2 帶式制動(dòng)剎車裝置的原理圖

改進(jìn)后的內(nèi)襯紙展開制動(dòng)裝置是由制動(dòng)鼓輪、制動(dòng)帶、擺臂、拉簧、調(diào)節(jié)絲桿等組成。內(nèi)襯紙被牽引時(shí)，拉簧4拉伸，同時(shí)擺臂3開始順時(shí)針擺動(dòng)，帶動(dòng)制動(dòng)帶2釋放制動(dòng)鼓1，內(nèi)襯紙卷筒定向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)內(nèi)襯紙展開速度略大于牽引速度，打破兩者之間的力矩動(dòng)平衡時(shí)，拉簧4就拉動(dòng)擺臂回?cái)[。制動(dòng)帶接觸制動(dòng)鼓，開始制動(dòng)，直至內(nèi)襯紙展開速度低于牽引速度，制動(dòng)帶再次釋放制動(dòng)鼓。

3.2 制動(dòng)帶材料的選擇及包角的確定

石棉與鐵的摩擦系數(shù)是0.25～0.4，橡膠平面的平皮帶與鐵的摩擦系數(shù)是0.4～0.6，根據(jù)摩擦力的計(jì)算公式F=μ·N（μ為摩擦系數(shù)，N為壓力）可知，在相同壓力情況下，摩擦系數(shù)越大摩擦力越大，因此選用摩擦力較大的平型皮帶。

制動(dòng)帶一端安裝在長(zhǎng)支架上，另一端安裝在擺臂上。制動(dòng)帶包裹制動(dòng)鼓呈一定的角度范圍，理論上要求a≥150度，但考慮到設(shè)備已有結(jié)構(gòu)的局限性，包角設(shè)定在100°～250°范圍內(nèi)，寬度為21mm，制動(dòng)帶中間設(shè)計(jì)有6個(gè)直徑為6mm，間距為70mm的圓孔，用于消除接觸面上灰塵的作用，經(jīng)多次測(cè)試能夠滿足制動(dòng)要求。

3.3 制動(dòng)帶長(zhǎng)支架的設(shè)計(jì)

原支架直徑為18mm，根據(jù)類比法設(shè)計(jì)，長(zhǎng)支架采用與原支架一致的直徑18mm，懸臂長(zhǎng)度以制動(dòng)帶安裝位置位于制動(dòng)鼓寬度中心位置為宜。

如圖3所示，長(zhǎng)支架為懸臂梁，制動(dòng)帶的拉力作用有可能造成長(zhǎng)支架的變形，因此有必要對(duì)其進(jìn)行撓度校核。

圖3 懸臂梁

通過受力分析，在制動(dòng)帶安裝位置中點(diǎn)（距安裝面125mm處）受力變形位移量最大，如圖4所示，在該點(diǎn)進(jìn)行最大撓度計(jì)算較為合適。

圖4 最大撓度分析圖

已知L=125mm，d=18mm，實(shí)測(cè)F=49N；查表可知：45#鋼材料彈性系數(shù)E=206000N/mm2,截面慣矩I=π·d4/64=5150.385mm4；長(zhǎng)支架最大撓度Wmax=F·L3/3EI ≈ 0.03mm；【W(wǎng)】=L·1/400=0.3mm；Wmax＜【W(wǎng)】。

由計(jì)算結(jié)果可知，長(zhǎng)支架實(shí)際撓度小于容許撓度，設(shè)計(jì)滿足要求。

4 實(shí)施改進(jìn)

4.1 設(shè)計(jì)加工搖臂張緊力調(diào)節(jié)裝置

絲桿安裝座安裝在機(jī)箱上，拉簧一端安裝在調(diào)節(jié)絲桿上，另一端固定在擺臂上，調(diào)節(jié)絲桿穿過絲桿安裝座上的通孔，由調(diào)節(jié)螺母進(jìn)行調(diào)節(jié)和自鎖。當(dāng)張緊力下降，可通過調(diào)節(jié)絲桿進(jìn)行補(bǔ)償，零件設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 零件設(shè)計(jì)圖

4.2 設(shè)計(jì)加工短支架

短支架設(shè)計(jì)如圖6所示，其穿套在在擺臂上的導(dǎo)向輥軸上，形成轉(zhuǎn)動(dòng)副；長(zhǎng)支架固定在箱體上，兩者上固定制動(dòng)帶的兩端，制動(dòng)帶與制動(dòng)鼓緊密貼合在一起，起到限速及制動(dòng)的作用。

圖6 短支架設(shè)計(jì)圖

5 結(jié)語

新內(nèi)襯紙展開制動(dòng)裝置投入運(yùn)行后，經(jīng)過長(zhǎng)期跟蹤觀察，內(nèi)襯紙輸送故障率明顯下降，圖7為2017年7～12月的內(nèi)襯紙輸送故障平均停機(jī)率折線圖。

圖7 故障平均停機(jī)率

從圖7可以看出，改進(jìn)后內(nèi)襯紙輸送故障率整體上有了明顯改善，故障率呈下降趨勢(shì)，由1月份的2次/班下降到12月份的1次/班，下降50%。采用柔性耦合技術(shù)的內(nèi)襯紙展開制動(dòng)裝置能夠有效降低故障停機(jī)率，研究成果可以為煙草生產(chǎn)企業(yè)提供較高的應(yīng)用價(jià)值。