摘要：本文針對傳統(tǒng)下煙裝置剛性過大的問題，提出柔性下煙的設想并完成了相應的下煙裝置結構設計，該設計核心思想是采用“行星輪系”來完成柔性下煙，即對香煙包裝機械下煙裝置進行柔性設計，分別給出了下煙裝置、傳送裝置的設計框架。用3個行星輪系代替?zhèn)鹘y(tǒng)的凸輪下煙機構，并合理配置齒輪和軸。采用連架桿機構來維持3組行星輪系的同步操作。還對柔性下煙裝置的關鍵部件進行了詳細設計，即對下煙裝置的行星輪進行設計、三維裝配和動力學分析。

關鍵詞：香煙包裝；下煙裝置；結構設計；仿真試驗

中圖分類號：TS43""""""""" 文獻標志碼：A

在我國大多數香煙生產商的包裝過程中，香煙包裝存在一定的效率不足問題，尤其是煙支從煙庫下煙后，經常會發(fā)生包裝過程中斷的現象，由此引起的停機率為三成到四成[1]。其直接原因是煙支的質量問題（如殘次品）和空煙問題。實際上，剛剛下煙的煙支存在質量問題的概率很低，但在下煙環(huán)節(jié)之后的環(huán)節(jié)中，煙支會因與推煙板發(fā)生剛性接觸而出現質量下降，如煙支折斷和褶皺等現象[2]。后續(xù)的鋁箔紙包裝和商標粘貼就都會受到影響，進而導致包裝機械停機，香煙包裝的效率嚴重降低[3]。本文針對傳統(tǒng)下煙裝置剛性過大的問題，提出了柔性下煙的設想并完成了相應的下煙裝置結構設計，該設計的核心思想是采用“行星輪系”進行柔性下煙，并在煙支傳輸過程中配合負壓風吸操作，以降低煙支傳輸過程中所受的剛性沖擊力。

1下煙裝置的總體框架設計

1.1香煙包裝常用下煙方案分析

在目前普遍應用的香煙包裝機械系統(tǒng)中，工作速度處于中速到高速區(qū)間的包裝機械系統(tǒng)為60%～80%。在這些系統(tǒng)中，煙支的傳送通常采用“推煙法”。以煙盒容納20支香煙的情況為例，從煙庫下放到煙模盒的排放順序一般為3層排列，3層排列的具體煙支數量有所不同，一種是上7、中6、下7，另一種是上7、中7、下6。煙支排放好以后，使用推煙板將其一并推入煙盒，整個下煙過程即執(zhí)行完畢。但這種比較通用的方案有3個缺點。1）利用凸輪機構進行主體運動，運動效率不高并且存在一定比例的運動間隙，傳送速度受到一定程度的限制，凸輪機構的運動也比較容易對下煙過程造成沖擊和磨損。2）3層煙支一起被推入煙模盒，煙支受到沖擊而破損的可能性較大，這也是造成各種破損的主要原因。3）在實際的包裝過程中，因為推煙過程的受到沖擊比較明顯，所以工作中振動和噪聲現象也比較明顯。

1.2本文下煙裝置總體方案設計

針對上述情況，本文對下煙裝置進行了全新設計，以增加下煙過程的柔性。本文將下煙操作的核心運動模式改為輪式傳送，煙支從煙庫下放到煙模盒的過程由3個行星輪完成。行星輪不僅具有行程穩(wěn)定、定位精度高的特點，還能避免凸輪機構運動過程中的剛性，減少煙支的破損率。該下煙裝置的整體布局如圖1所示。

下煙裝置共采用了3個行星輪。位置最低的行星輪安放煙模盒中下層香煙，下放煙支的數量為7支。煙模盒接收到第一層7支香煙后繼續(xù)向前運動，等待第二個行星輪的操作。第二個行星輪處于中間位置，安放煙模盒中中層香煙，下放煙支的數量為6支。煙模盒接收到第二層6支香煙后繼續(xù)向前運動，等待第三個行星輪的操作。第三個行星輪處于最高位置，安放煙模盒中上層香煙，下放煙支的數量為7支。

每一個行星輪下煙的過程如圖2所示。

下煙裝置的每一個行星輪是一個三輪輪系，包括中間輪、行星輪和底部輪。行星輪不但可以繞自身的回轉中心順時針轉動，還可以繞中間輪的回轉中心做逆時針轉動，并在轉動過程中利用負壓吸附作用進行煙支傳送。首先，煙庫中的煙支下放到行星輪的煙槽內。其次，行星輪和中間輪通過相向的回轉運動將煙支傳遞給中間輪。再次，中間輪和底部輪通過相向的回轉運動將煙支傳遞給底部輪。最后，底部輪中的煙支被下放到煙模盒中，由于煙模盒和底部輪的瞬時運動線速度一致，不會產生較大沖擊，因此整個下煙過程具有一定柔性。

2下煙機構行星輪詳細設計與建模

下煙裝置的行星輪系設計行星輪、中間輪和底部輪，其中行星輪的作用非常重要。行星輪從煙庫末端接受煙支，并通過煙槽向中間輪傳遞，因此需要具有較高的定位精度和足夠的柔性，才能確保傳遞的準確性，并減少煙支的破損概率。為此本文先給出了行星輪的傳動設計，再進行三維模型仿真裝配，最后對行星輪進行動力學分析。

行星輪是指一族齒輪中的齒輪回轉軸線并不全是固定的，至少有一個齒輪的軸線要圍繞固定軸線做回轉運動。這表明行星輪必須滿足周轉輪系的條件。此外，如果周轉輪系的自由度確定為1，則可以稱之為行星輪系。行星輪系具有許多優(yōu)良的機械性能，結構緊湊、體積小巧、承重能力強且工作平穩(wěn)、可靠。行星輪系有多種嚙合方式，分別為內嚙合-共用齒輪-外嚙合（NGW）、內嚙合-外嚙合（NW）、內嚙合-內嚙合（NN）、外嚙合-外嚙合（WW）、內嚙合-共用齒輪-外嚙合-內嚙合（NGWN）以及內嚙合（N）等形式。在機械設計中，行星輪系的應用非常普遍，適用于傳動比較大的場合，可進行主軸轉速不變情況下的變速傳動和多個運動分支的運動傳遞。

本文的下煙裝置設計采用如圖3所示的行星輪結構。在香煙包裝機械的下煙裝置中，行星輪既要圍繞固定軸線做公轉，又要圍繞自身軸線做自傳，同時還要在與中間輪嚙合的過程中完成煙支的傳送。為此，本文采用了比較常見的內嚙合-共用齒輪-外嚙合（NGW）的行星輪結構形式。

內嚙合-共用齒輪-外嚙合（NGW）的行星輪結構具有制造工藝簡單、安裝操作方便、體積緊湊小巧和工作效率較高等特點，符合下煙裝置的基本需求。本文根據該結構的傳動效果來分析和設計下煙裝置中的行星輪結構。標號為“Z1”的齒輪處于中間位置，即中間輪；標號為“Z2”的齒輪即行星輪；標號為“Z3”的部件是內齒圈部件。要保證行星輪的正常運動，所述機構應該滿足以下3個條件。

第一，各嚙合齒輪彼此間具有相同的中心距，即符合公式（1）的情況。

Z3=Z1+2Z2（1）

第二，各嚙合齒輪要符合彼此間的裝配條件，即符合公式（2）的情況。

式中：C為行星輪的數量；N為整數。

第三，各個行星輪間不能近鄰或發(fā)生碰撞，因此二者間至少要留有模數0.5倍以上的距離，即行星輪齒頂圓半徑疊加在一起不能大于二者的中心距。

還需要合理確定行星輪的輪齒數目。在下煙裝置中，由于行星輪需要向中間輪傳遞煙支，該傳遞必須均勻放置在煙模盒中，因此需要確保Z1的數量為Z2的整數倍?？紤]結構安裝問題，整個行星輪結構既不能太大，也不能太小，最終設定Z1的數量為Z2的4倍。在煙支傳送的過程中還需要充分考慮傳送速度的影響，如果速度過高，將會導致離心力過大，從而削弱空氣孔的吸附力，進而導致煙支脫落。從機構設計的角度來說，減少行星輪直徑是可行的方案。綜合分析上述情況，確定Z2的齒輪數量為19，Z1的齒輪數量為76，Z3的齒輪數量為114。

3下煙裝置仿真裝配與動力學分析

運動學分析是排除質量和力的因素、全面分析裝配模型運動情況的重要分析手段。在Pro/E中運動學分析需要通過Analysis模塊進行設置，該模塊可以檢測運動干涉、位置、速度和加速度等參數，并對裝配模型執(zhí)行全局碰撞檢測，即檢測所有零件在運動過程中是否會發(fā)生干涉。

進行干涉分析后，需要在伺服電機設置模塊中的“圖形”控件中進一步分析行星輪裝配模型的位置和速度關系。中間輪的位置和速度曲線如圖4所示。

從圖4可以看出，斜線代表位置曲線，水平直線代表速度曲線，表明中間輪在做勻速轉動。相應的位置曲線斜率固定，也反映了勻速轉動的一般情況。

根據中間輪的情況，進一步推導行星輪的速度情況，可知行星輪的下煙速度是1440°/s，即中間輪轉動1周，行星輪轉動4. 167周。

進一步給出施加載荷后中間輪的加速度曲線，如圖5所示。

4結論

本文針對傳統(tǒng)下煙裝置剛性過大的問題，提出柔性下煙的設想并完成了相應的下煙裝置結構設計，該設計的核心思想是采用“行星輪系”來完成柔性下煙，并在煙支傳輸過程中配合負壓風吸操作，以減少煙支傳輸過程中所受的剛性沖擊力。在下煙裝置結構設計中，本文分別對行星輪、中間輪、底部輪和煙模盒進行了詳細設計，包括結構、裝配和運動學性能分析等，給出了行星輪的結構設計、Pro/E三維仿真裝配。最后對設計出的下煙裝置進行了動力學分析，并得到了平穩(wěn)的曲線結果。

參考文獻

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[2]程衛(wèi)民，杜國鋒. 一種新型超高速煙支輸送技術的研究與設計[J]. 機械工程師，2022，52（3）：47-48.

[3]占璞，錢松榮. 基于SolidWorks細長軸的加工方法及有限元分析[J]. 煤礦機械，2022，44（7）：143-144.

通信作者：韓靜蕓（1988-），女，北京人，碩士研究生，助理研究員，研究方向為包裝工程、包裝機械和包裝結構。

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