張國智，馮志斌，江威，李娟娟

廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，廣州市荔灣區(qū)芳村環(huán)翠南路88號 510310

H1000超高速包裝機(jī)組差動式模盒機(jī)構(gòu)剖析

張國智，馮志斌*，江威，李娟娟

廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，廣州市荔灣區(qū)芳村環(huán)翠南路88號 510310

為滿足卷煙生產(chǎn)設(shè)備高速傳動的要求，對H1000超高速包裝機(jī)組的差動式模盒機(jī)構(gòu)的工作原理和運(yùn)動特性進(jìn)行了分析。該模盒機(jī)構(gòu)采用凸輪差速傳動和交替運(yùn)動方式，由凸輪機(jī)構(gòu)產(chǎn)生差速，通過行星齒輪差速器與主傳動并聯(lián)，以滿足機(jī)構(gòu)的間隙運(yùn)動需求，降低高速運(yùn)轉(zhuǎn)時的沖擊和噪聲；利用兩組模盒交替運(yùn)動方式提高設(shè)備的工作效率。結(jié)果表明：差動式模盒機(jī)構(gòu)可以較好地滿足超高速包裝機(jī)組的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的要求，加減速柔和，運(yùn)動沖擊?。辉O(shè)備全速運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲僅為79 dB，低于中速包裝機(jī)組的83 dB；3年實(shí)測故障率為零，各零部件無明顯磨損。對該模盒機(jī)構(gòu)的原理、結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特性研究可為新型超高速包裝機(jī)組的技術(shù)研發(fā)提供參考。

卷煙；超高速；包裝機(jī)組；模盒機(jī)構(gòu)；差動式；槽輪式；交替運(yùn)動

隨著卷煙生產(chǎn)設(shè)備不斷向高速化發(fā)展，卷煙包裝機(jī)組的單機(jī)生產(chǎn)速度已由400包/分鐘提高到600～800包/分鐘。其中，生產(chǎn)速度低于600包/分鐘的中速包裝機(jī)組主要采用槽輪式模盒機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)間隙運(yùn)動［1］。隨著生產(chǎn)速度的不斷提升，槽輪機(jī)構(gòu)所承受的沖擊力不斷加大，造成噪聲增大、零件使用壽命縮短等問題。張磊等［2］通過優(yōu)化槽輪的設(shè)計參數(shù)以降低高速傳動帶來的沖擊，但由于受槽輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特性限制，無法從根本上滿足設(shè)備高速傳動的要求。意大利GD公司最新推出的H1000超高速包裝機(jī)組生產(chǎn)速度達(dá)1000包/分鐘，其采用的差動式模盒機(jī)構(gòu)在工作過程中運(yùn)行平穩(wěn)，高速運(yùn)轉(zhuǎn)時沖擊力小，噪聲低，設(shè)備故障率也較低。為此，通過對H1000超高速包裝機(jī)組模盒機(jī)構(gòu)的原理結(jié)構(gòu)進(jìn)行剖析，研究其工作原理及運(yùn)動特性，旨在為新型超高速包裝機(jī)組的技術(shù)研究提供理論參考。

1 存在問題

1.1 槽輪式模盒機(jī)構(gòu)組成

卷煙包裝機(jī)組的工藝流程包括煙組成型、鋁箔紙包裝、小盒包裝紙包裝、小包輸送、小包透明紙包裝、條盒包裝、條盒透明紙包裝等工序。其中，煙組成型是將煙支按7-7-6或7-6-7方式排列后形成煙組，再進(jìn)行鋁箔紙包裝，見圖1。在生產(chǎn)過程中煙支經(jīng)過垂直下煙通道，在垂直方向上排列整齊，由煙支推桿3將排列好的煙支推入模盒2中排列成型，模盒再將煙組輸送到鋁箔紙包裝工序。在此過程中模盒起著載體和定型作用，保證煙支在輸送過程中的排列保持不變。

圖1 槽輪式模盒機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

煙支推桿在將煙支推入模盒過程中，由于煙支運(yùn)動方向與模盒運(yùn)動方向垂直，為保證推煙動作順利完成，模盒必須靜止在對齊煙支的推入工位，待完成煙支推入動作后才能繼續(xù)運(yùn)動，將煙支送入鋁箔紙包裝工序，然后空模盒返回?zé)熤迫牍の谎b載煙支，如此循環(huán)往復(fù)。因此，模盒機(jī)構(gòu)采用的是槽輪式間隙傳動機(jī)構(gòu)。在槽輪式模盒機(jī)構(gòu)中，多個模盒均布在一條輸送帶1上并隨輸送帶運(yùn)動，輸送帶動力由槽輪機(jī)構(gòu)傳遞。根據(jù)槽輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特性，當(dāng)撥輪7圓銷脫離槽輪6時，輸送帶靜止，煙支推入模盒；當(dāng)撥輪圓銷進(jìn)入槽輪時，輸送帶開始運(yùn)動，模盒隨輸送帶運(yùn)動輸送煙支。槽輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動方程為：

式中：ω2為槽輪轉(zhuǎn)速，r/min；ω1為撥輪轉(zhuǎn)速，r/min；φ1為撥輪轉(zhuǎn)角，°；γ為槽輪機(jī)構(gòu)固定結(jié)構(gòu)系數(shù)［3］。

由運(yùn)動方程可見，槽輪機(jī)構(gòu)在整個運(yùn)動過程中其運(yùn)動速度隨撥輪轉(zhuǎn)角φ1而變化，在啟動和停止時會出現(xiàn)速度突變，從而帶來較大沖擊。隨轉(zhuǎn)速增加或槽輪槽數(shù)減少速度突變會加大，沖擊會加劇，故槽輪機(jī)構(gòu)已不能滿足包裝機(jī)組高速運(yùn)轉(zhuǎn)的要求［4］。

1.2 傳統(tǒng)間隙傳動機(jī)構(gòu)分析

目前常用的間隙傳動機(jī)構(gòu)除槽輪機(jī)構(gòu)外還有不完全齒輪機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)等［5］。不完全齒輪機(jī)構(gòu)設(shè)計靈活，從動輪的運(yùn)動范圍大。但該機(jī)構(gòu)加工復(fù)雜，在進(jìn)入和退出嚙合時速度有突變，容易引起剛性沖擊，不宜用于高速傳動；凸輪機(jī)構(gòu)具有運(yùn)轉(zhuǎn)可靠、傳動平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，通過改變凸輪推程運(yùn)動角可得到轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動與停歇時間的比值，利用凸輪弧線設(shè)計實(shí)現(xiàn)柔和的加減速，可以較好地適應(yīng)高速運(yùn)轉(zhuǎn)。例如在YB47高速包裝機(jī)組的3號輪及第二煙支推進(jìn)器中就分別采用了弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)［6］和共軛凸輪機(jī)構(gòu)［7］實(shí)現(xiàn)間隙運(yùn)動，具有運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、安靜等優(yōu)點(diǎn)，但凸輪機(jī)構(gòu)屬于線點(diǎn)接觸傳動機(jī)構(gòu)，負(fù)載過大時容易產(chǎn)生磨損。所以，槽輪機(jī)構(gòu)等傳統(tǒng)間隙運(yùn)動機(jī)構(gòu)都無法較好地滿足包裝機(jī)組高速、耐磨損的要求。

2 差動式模盒機(jī)構(gòu)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

H1000超高速包裝機(jī)組采用的差動式模盒機(jī)構(gòu)，在傳動上采用了由凸輪機(jī)構(gòu)和錐齒輪差速器組成的復(fù)合式機(jī)械結(jié)構(gòu)，凸輪機(jī)構(gòu)通過錐齒輪差速器與主傳動并聯(lián)，在設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過程中利用凸輪機(jī)構(gòu)產(chǎn)生與主傳動同向或反向的差速度，經(jīng)過錐齒輪差速器進(jìn)行速度疊加后，輸出滿足設(shè)備整體運(yùn)轉(zhuǎn)要求的高速間隙運(yùn)動［8］。另外，差動式模盒機(jī)構(gòu)由兩組傳動機(jī)構(gòu)組成，并采用交替運(yùn)動方式，可以使兩個不同速度的生產(chǎn)動作同時進(jìn)行，提高了設(shè)備工作效率。

2.1 傳動系統(tǒng)組成

差動式模盒機(jī)構(gòu)的傳動系統(tǒng)主要由動力輸入齒輪、凸輪、連桿、輸出軸、錐齒輪、模盒輸送帶等部件組成，見圖2。該系統(tǒng)有兩個動力輸出：①由齒輪1輸入，齒輪1、凸輪2、錐齒輪12固定在同一軸上，動力通過錐齒輪12傳遞到錐齒輪11。錐齒輪11與錐齒輪10固定在同一軸上，錐齒輪6和錐齒輪9安裝在可繞輸出軸7轉(zhuǎn)動的支架5上，連桿3與支架5通過鉸鏈連接，錐齒輪10，9，8，6組成一個行星齒輪差速機(jī)構(gòu)，最后動力通過差速機(jī)構(gòu)由輸出軸7傳遞到齒形模盒輸送帶22。②由齒輪1輸入，通過錐齒輪12傳遞到錐齒輪13，錐齒輪14，15，17，18組成的差速機(jī)構(gòu)帶動輸出軸19，進(jìn)而帶動模盒輸送帶20運(yùn)動。

圖2 差動式模盒機(jī)構(gòu)的傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

兩個動力輸出的工作原理基本相同，以輸出①為例說明其工作原理。在無推煙動作時，動力由錐齒輪10輸入，通過錐齒輪9和6傳遞到錐齒輪8，此時錐齒輪支架5靜止，錐齒輪8將動力傳遞到輸出軸7，再由輸出軸輸送到模盒輸送帶輪，模盒輸送帶輪帶動安裝有模盒21的輸送帶22作勻速運(yùn)動；模盒到達(dá)推煙工位前，凸輪2帶動連桿3，連桿3帶動錐齒輪支架5，錐齒輪支架5帶動錐齒輪9和6繞輸出軸7作與錐齒輪10相反的轉(zhuǎn)動，兩者速度疊加，錐齒輪8開始作減速運(yùn)動；當(dāng)模盒到達(dá)推煙工位時，錐齒輪支架5的轉(zhuǎn)速與錐齒輪10的轉(zhuǎn)速相等，但轉(zhuǎn)動方向相反，此時錐齒輪8和輸出軸7的轉(zhuǎn)速均為0，即模盒靜止在推煙工位上，此時煙支被推入模盒；推煙動作完成后，錐齒輪支架5在凸輪2的帶動下與錐齒輪10作同向轉(zhuǎn)動進(jìn)行復(fù)位，在差速器作用下輸出軸作加速轉(zhuǎn)動，錐齒輪支架5復(fù)位后靜止，輸出軸7則再次作勻速轉(zhuǎn)動。

2.2 運(yùn)動特性

根據(jù)差動式模盒機(jī)構(gòu)的工作原理，其主要部件的速度曲線見圖3?？梢?，通過對凸輪2的輪廓曲線優(yōu)化設(shè)計，在錐齒輪支架5轉(zhuǎn)動過程中可實(shí)現(xiàn)柔和的加速和減速，避免速度突變對零件產(chǎn)生沖擊。該機(jī)構(gòu)中凸輪2未直接驅(qū)動負(fù)載，僅驅(qū)動錐齒輪支架產(chǎn)生差速度，運(yùn)動載荷較小，可減少零件磨損，降低運(yùn)行噪聲［9-10］。在傳統(tǒng)模盒機(jī)構(gòu)中，當(dāng)模盒在推煙工位靜止時，通過撥輪卡在槽輪的鎖止槽內(nèi)保證模盒的靜止定位，但撥輪在鎖止槽內(nèi)是高速轉(zhuǎn)動的，槽輪與撥輪之間相互摩擦造成零件磨損，導(dǎo)致模盒定位精度降低，在推煙進(jìn)入模盒時容易出現(xiàn)撞煙。由于差動式模盒機(jī)構(gòu)采用了差速器，當(dāng)模盒在推煙工位靜止時，利用差速器的齒輪組嚙合互鎖的特性，無需鎖止機(jī)構(gòu)即可保證模盒的精確定位，簡化了設(shè)備結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備故障率。

圖3 差動式模盒機(jī)構(gòu)主要部件速度曲線

在槽輪式模盒機(jī)構(gòu)中，槽輪轉(zhuǎn)速除靜止外其余時間都是變化的，因此工序之間只能在槽輪靜止時進(jìn)行煙支交接，從而限制了設(shè)備速度的提升。在差動式模盒機(jī)構(gòu)的一個運(yùn)動周期內(nèi)，有兩段時間模盒速度是保持不變的，即煙支推入模盒時，模盒速度保持為0。另外，在煙支推入模盒后且差速器的錐齒輪支架復(fù)位靜止后，模盒保持勻速運(yùn)動。此時，包裝機(jī)組的一輪與模盒的運(yùn)動速度相同，二者相對靜止，可順利完成煙支從模盒到一輪的交接，實(shí)現(xiàn)煙支從間隙運(yùn)動到連續(xù)運(yùn)動的過渡，有效提高設(shè)備生產(chǎn)速度。

2.3 交替運(yùn)動方式

由于煙支推入模盒和煙支從模盒交接到一輪兩個動作是在不同模盒運(yùn)動速度下完成，為保證差動式模盒機(jī)構(gòu)與上下游工序的無縫連接，提高設(shè)備生產(chǎn)效率，H1000包裝機(jī)組的模盒機(jī)構(gòu)采用了分組交替運(yùn)動方式。模盒輸送帶由兩根皮帶組成，傳動機(jī)構(gòu)采用兩套差速機(jī)構(gòu)，分別由差動輪系輸出兩個驅(qū)動，各自驅(qū)動一條輸送帶。每條模盒輸送帶上有12個模盒，6個一組，兩條輸送帶上共有4組模盒（A，B，C，D）。其中，A，C兩組模盒與輸送帶1相連，B，D兩組模盒與輸送帶2相連，模盒組之間交替運(yùn)動。

A，B兩組模盒之間的速度關(guān)系見圖4。當(dāng)輸送帶1上的B組模盒向煙庫方向作減速運(yùn)動時，已完成煙支推入的輸送帶2上的A組模盒正勻速向包裝機(jī)組一輪輸送煙支；當(dāng)B組模盒停止在煙支推入位置接受煙支推入時，A組模盒已到達(dá)包裝機(jī)組一輪的煙支交接位置，輸送帶1作勻速運(yùn)動，與包裝機(jī)組一輪速度同步；在B組模盒進(jìn)行煙支推入時，A組模盒正在將煙支交接到包裝機(jī)組一輪，相當(dāng)于有兩個工位在同時工作，避免了不同工位因運(yùn)動速度不同而相互干擾，實(shí)現(xiàn)了兩個生產(chǎn)動作同時進(jìn)行，提高了工作效率。B組與C組模盒工作循環(huán)相同。

圖4 A，B組模盒的運(yùn)動關(guān)系

3 結(jié)語

差動式與槽輪式模盒機(jī)構(gòu)對比結(jié)果見表1。可見，差動式模盒機(jī)構(gòu)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時運(yùn)動沖擊力小，運(yùn)行噪聲低，零件更耐用且工作效率高，比傳統(tǒng)的槽輪式模盒機(jī)構(gòu)能更好地適應(yīng)高速包裝機(jī)的要求。

經(jīng)測試，中速包裝機(jī)組生產(chǎn)速度400包/分鐘時的運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲約為83 dB，而采用差動式模盒機(jī)構(gòu)的H1000超高速卷煙包裝機(jī)組生產(chǎn)速度1000包/分鐘時的運(yùn)轉(zhuǎn)噪音僅為79 dB。差動式模盒機(jī)構(gòu)經(jīng)過3年實(shí)際運(yùn)行，故障率為零，各零部件無明顯磨損。通過分析研究該模盒機(jī)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和運(yùn)行特性有助于新型超高速包裝機(jī)組的技術(shù)研發(fā)。

表1 差動式與槽輪式模盒機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)性能對比

［1］徐愛東，劉雄心，陳紅.包裝機(jī)器中的步進(jìn)裝置［J］.包裝與食品機(jī)械，2000（5）：19-21.

［2］張磊，詹磊.一種新型槽輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計與研究［J］.機(jī)械傳動，2007（6）：44-47.

［3］王寧俠，楊耀峰，魏引煥.槽輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動及其高副磨損分析［J］.西北輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2000(18)：80-84.

［4］劉辰.外槽輪機(jī)構(gòu)設(shè)計分析［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2009(38)：61-63.

［5］劉穎，馬春榮.機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005：68-71.

［6］胡國勝，戎磊杰.弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)在YB47型硬盒包裝機(jī)包裝輪中的應(yīng)用［J］.煙草科技，2011(7)：15-17.

［7］蔣蒙奇.共軛凸輪機(jī)構(gòu)在YB47型硬盒包裝機(jī)煙支第二推進(jìn)器上的應(yīng)用［J］.煙草科技，2009(9)：25-26.

［8］申永勝.機(jī)械原理教程［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005：244.

［9］劉惟信.機(jī)械最優(yōu)化設(shè)計［M］.2版.北京：清華大學(xué)出版社，1994：280-286.

［10］劉穎，馬春榮.機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005：27-33.

Analysis of Differential Mandrel Mechanism in H1000 Ultrahigh-speed Cigarette Packer

ZHANG Guozhi，F(xiàn)ENG Zhibin*，JIANG Wei，and LI Juanjuan
China Tobacco Guangdong Industrial Co.，Ltd.，Guangzhou 510310，China

The working principle and movement characteristics of differential mandrel mechanism in H1000 ultrahigh-speed cigarette packer were analyzed.The mandrel mechanism incorporated cam differential drive and means of alternate movement，the cam mechanism produced speed difference and in parallel with main drive via planet gear differential mechanism to implement intermittent movement with low impact and noise at high-speed. Two sets of mendrels worked alternately to improve the working efficiency of the equipment.The results showed that with gentle acceleration/deceleration and low impact，the differential mandrel mechanism satisfied the requirements of ultrahigh-speed packer for continuous and stable running，the noise at fullspeed running was 79 dB(A)in contrast with 83 dB(A)of a medium speed packer.Through the actual running over three years，the failure rate was zero and no obvious wear was observed.

Cigarette；Ultrahigh-speed；Cigarette packer line；Mandrel mechanism；Differential type；Grooved drum type；Alternate movement

TS434

A

1002-0861（2014）11-0025-04

張國智（1980—），學(xué)士，工程師，主要從事機(jī)械裝備自動化、技術(shù)改造和項(xiàng)目管理工作。E-mail：13503082912@139.com；*

馮志斌E-mail：1353021733@139.com

2014-05-16

責(zé)任編輯：曹娟E-mail：cj254@126.com

電話：0371-67672669