ZB45 包裝機(jī)組煙包干燥輸出獨(dú)立驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)

呂小波，馬 立，刀榮貴，劉耕硯，周 波

紅塔煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，云南省玉溪市紅塔大道118 號(hào) 653100

隨著低焦油卷煙和細(xì)支煙生產(chǎn)的快速發(fā)展和銷售市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，國內(nèi)卷煙工業(yè)企業(yè)紛紛對(duì)細(xì)支煙的研發(fā)生產(chǎn)加大力度，并推出各具特色的細(xì)支煙產(chǎn)品［1]。目前細(xì)支煙生產(chǎn)的主要設(shè)備為ZB45 包裝機(jī)組，該機(jī)組的煙包干燥輸出裝置承接8 號(hào)輪推出的煙包，經(jīng)過一段距離輸送使煙包干燥后，將煙包送入轉(zhuǎn)向器旋轉(zhuǎn)90°，再送入下游設(shè)備。該裝置動(dòng)力由主機(jī)的傳動(dòng)齒輪提供，設(shè)備運(yùn)行時(shí)輸送帶的輸送速度與主機(jī)速度保持同步，因此煙包在上游被剔除后會(huì)在煙包干燥輸出裝置中產(chǎn)生空位，由于細(xì)支煙包厚度較薄在掉頭時(shí)容易發(fā)生傾斜而產(chǎn)生阻塞。為解決此問題，最有效的方法是改進(jìn)煙包干燥輸出裝置動(dòng)力源，不使用由主機(jī)提供的動(dòng)力，而采用獨(dú)立動(dòng)力源，當(dāng)煙包空缺時(shí)輸送帶不傳動(dòng)，以保證煙包隨時(shí)填滿整個(gè)煙包干燥輸出裝置。目前獨(dú)立動(dòng)力源大多采用伺服電動(dòng)機(jī)，伺服電動(dòng)機(jī)分為直流和交流兩種，直流伺服電動(dòng)機(jī)的碳刷和換向器在運(yùn)行中容易產(chǎn)生火花和磨損，需要經(jīng)常維護(hù)和保養(yǎng)［2-3]，因此在設(shè)備改進(jìn)中大多采用交流伺服電機(jī)。其中，YF17A 型卷煙儲(chǔ)存輸送裝置［4]、HAUNI 1-8 型卷接機(jī)組等使用了多個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)裝置［5]；YB55A 型包裝機(jī)透明紙輸送裝置動(dòng)力源由主機(jī)傳動(dòng)提供的送紙輥之間的摩擦滾動(dòng)改為伺服電動(dòng)機(jī)控制［6-7]；應(yīng)用伺服電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力設(shè)計(jì)了YF17 卷煙儲(chǔ)存器自動(dòng)落煙裝置［8]；采用伺服驅(qū)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)了裝盒機(jī)與物流傳送系統(tǒng)設(shè)備的流暢對(duì)接［9]；應(yīng)用獨(dú)立交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)重新設(shè)計(jì)了PASSIM 卷接機(jī)組緊頭位置調(diào)整系統(tǒng)［10]；應(yīng)用伺服電機(jī)控制系統(tǒng)精確切割GDX2 包裝機(jī)組帶圖案的框架紙［11]等。上述研究改進(jìn)在生產(chǎn)實(shí)踐中均取得良好應(yīng)用效果。為此，基于交流伺服電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)了一種煙包干燥輸出獨(dú)立驅(qū)動(dòng)裝置，通過改變控制參數(shù)快速調(diào)整輸出通道輸送帶的步進(jìn)量，實(shí)現(xiàn)輸送帶與煙包同步運(yùn)行，以期提高ZB45 包裝機(jī)組對(duì)不同卷煙包裝規(guī)格的適應(yīng)性，提高設(shè)備生產(chǎn)效率。

1 問題分析

1.1 存在問題

煙包干燥輸出裝置包括煙包干燥輸出裝置I和轉(zhuǎn)向器II 兩部分，煙包干燥輸出裝置I 主要由輸送帶、輸送下輥和輸送上輥等部分組成，見圖1。其中，煙包干燥輸出裝置I 通過輸送下輥8 和輸送上輥9 的驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)輸送帶1，將來自上游的煙包2送入轉(zhuǎn)向器II，通過掉頭上輥6 和掉頭下輥7 的驅(qū)動(dòng)，在O型帶的夾持下將掉頭煙包4 送入下游。如果煙包在進(jìn)入干燥輸出裝置前被剔除，則會(huì)產(chǎn)生煙包空位3，當(dāng)進(jìn)入轉(zhuǎn)向器時(shí)，因煙包缺少支撐力而容易發(fā)生傾斜，導(dǎo)致掉頭煙包阻塞。

圖1 煙包干燥輸出裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of packet drying and discharging unit

1.2 原因分析

圖2 可見，生產(chǎn)中由YB45 小盒包裝機(jī)主傳動(dòng)箱內(nèi)齒輪1 帶動(dòng)輸出裝置運(yùn)行，箱體內(nèi)的齒輪1 經(jīng)萬向聯(lián)軸器將動(dòng)力傳遞給輸出裝置傳動(dòng)箱的齒輪2，再通過齒輪3、4、12、11、10 和同步齒形帶5 實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向器和煙包干燥裝置上下輸送帶同步輸送煙包。設(shè)備連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，輸送輥6、7、8、9 也保持連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。此外，煙包干燥輸出裝置I 通過輸送下輥8 和輸送上輥9 的輸送帶將煙包送入轉(zhuǎn)向器II，由掉頭上輥6 和掉頭下輥7 驅(qū)動(dòng)，在O型帶的夾持下將煙包送入下游。該設(shè)備在生產(chǎn)前圓后方的細(xì)支煙時(shí)，由于煙包與輸送帶接觸面積較小，因此煙包剔除后產(chǎn)生空位前后的煙包在輸送帶上摩擦力減小，轉(zhuǎn)向時(shí)因煙包缺少支撐點(diǎn)，容易造成煙包移位或傾斜而導(dǎo)致煙包阻塞，使廢品率和設(shè)備停機(jī)率增加。

圖2 改進(jìn)前動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of power transmission system before modification

2 改進(jìn)方法

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖3 改進(jìn)后動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of power transmission system after modification

分析可見，取消主傳動(dòng)箱輸出的動(dòng)力源、改進(jìn)輸送帶的驅(qū)動(dòng)方式是解決該問題的關(guān)鍵。改進(jìn)后采用交流伺服電動(dòng)機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，通過檢測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)轉(zhuǎn)換，保證輸送帶步進(jìn)運(yùn)行，在剔除不合格煙包或煙包取出時(shí)，輸送帶停止運(yùn)動(dòng)，避免產(chǎn)生煙包空位，使煙包始終填滿輸送帶。圖3 可見，獨(dú)立驅(qū)動(dòng)裝置由交流伺服電動(dòng)機(jī)1 提供動(dòng)力，通過減速器2 驅(qū)動(dòng)圓錐齒輪14 旋轉(zhuǎn)；交流伺服電動(dòng)機(jī)1 與減速器2 連接后，通過法蘭15 安裝在箱體上，圓錐齒輪13 安裝在原裝置的輸入軸上，動(dòng)力經(jīng)圓錐齒輪13、14 通過聯(lián)軸器帶動(dòng)雙聯(lián)齒輪3 轉(zhuǎn)動(dòng)，其余的傳動(dòng)方式與改進(jìn)前一致，由此形成完整的獨(dú)立驅(qū)動(dòng)單元。生產(chǎn)中8 號(hào)輪每推出一個(gè)煙包，電動(dòng)機(jī)就會(huì)接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，進(jìn)而旋轉(zhuǎn)一個(gè)對(duì)應(yīng)角度驅(qū)動(dòng)輸送輥，使輸送帶移動(dòng)一個(gè)煙包厚度的距離。本研究中選擇電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速8 300 r/min，減速比1∶10，根據(jù)煙包厚度可確定圓錐齒輪14、13 的齒數(shù)比為1∶2，齒數(shù)分別為Z1=18，Z2=36［12]。

圖3 中，齒輪14、13 為正交傳動(dòng)，軸交角∑=90°。設(shè)計(jì)時(shí)使用圓錐齒輪14、13 是為了滿足安裝空間位置，將原來垂直于輸送通道的布局方式改為平行于輸送通道，其齒數(shù)比μ=Z2/Z1=36/18=2，在此條件下可保證輸送帶步進(jìn)速度達(dá)到415 包/min，能與包裝機(jī)速度匹配。由圖4 可見，已知μ=2，取大端模數(shù)m=2.5，可計(jì)算得到分錐角tgδ=1/μ=0.5，進(jìn)而得到δ=26.565°，錐距

圖4 圓錐齒輪理論設(shè)計(jì)圖Fig.4 Theoretical design diagram of cone gear

2.2 電氣設(shè)計(jì)

由于伺服電動(dòng)機(jī)每接收到一個(gè)脈沖，就會(huì)旋轉(zhuǎn)一個(gè)對(duì)應(yīng)的角度，并發(fā)出對(duì)應(yīng)數(shù)量的脈沖，使接收和發(fā)出脈沖保持一致。因此，采用交流伺服電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源，還需要加裝煙包檢測(cè)傳感器和軸編碼器。圖5 可見，煙包檢測(cè)器采用對(duì)射型光電傳感器（SONDA CE2/0P-1A），傳感器安裝在YB45 小盒包裝機(jī)8 號(hào)輪的第4 工位上，8 號(hào)輪每旋轉(zhuǎn)一個(gè)工位，通過光電傳感器檢測(cè)有無煙包，并將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)。速度指令的實(shí)現(xiàn)由軸編碼器（LIKA 1T65-Y-1800）完成，傳感器信號(hào)被發(fā)送到位置控制回路，與軸編碼器的速度信號(hào)對(duì)比后完成位置控制［13-14]。改進(jìn)后能夠直接采用原系統(tǒng)預(yù)留接口，準(zhǔn)確控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，保證煙包輸出連續(xù)，避免產(chǎn)生煙包空位。

圖5 改進(jìn)后控制系統(tǒng)框圖Fig.5 Block diagram of control system after modification

2.3 雙O型帶設(shè)計(jì)

分析表明，產(chǎn)生煙包阻塞的主要原因是煙包失去支撐力而產(chǎn)生傾斜。由圖6 可見，改進(jìn)后將轉(zhuǎn)向器中的單O型帶改為雙O型帶，即可維持掉頭煙包側(cè)立，從而減少煙包阻塞。雙O型帶支撐力計(jì)算過程為：

（1）根據(jù)設(shè)備現(xiàn)有結(jié)構(gòu)和煙包尺寸要求，確定雙O型帶輪公稱直徑d=64 mm，轉(zhuǎn)速n=415 r/min。

（2）O型帶速度v=πdn/（60×1 000）=1.4 m/s，小于O型帶傳動(dòng)的極限轉(zhuǎn)速10～20 m/s。

（3）已知電機(jī)功率P=1.2 kW，工況系數(shù)（因煙包質(zhì)量較小，載荷變動(dòng)微小，工況系數(shù)取1）KA=1，則O型帶設(shè)計(jì)功率Pd= KA×P=1.2 kW。

（4）O型帶有效圓周力Ft=1 000Pd/v=857 N。

（5）作用在軸上的力Fr=2σ0Asin（α1/2），考慮到雙O型帶的最初張緊力為正常張緊力的1.5 倍，因此Frmax=3σ0A=2.4 N。計(jì)算中O型帶選用8 mm 橡膠圓帶，則σ0=1.6 N/mm2為正常張緊力；O型帶半徑R=0.4 cm，截面積A=πR2=3.14×0.42=0.5 cm2。

圖6 改進(jìn)后轉(zhuǎn)向器示意圖Fig.6 Schematic diagram of steering gear after modification

（6）根據(jù)計(jì)算可知，采用雙O型帶傳動(dòng)對(duì)煙包的最大支撐力F=2Frmax=4.8 N，能夠滿足正常生產(chǎn)要求。

3 應(yīng)用效果

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

材料：“紅塔山（細(xì)支傳奇）”、“玉溪（細(xì)支清香世家）”、“玉溪（細(xì)支創(chuàng)客）”、“玉溪（細(xì)支初心）”牌卷煙［由紅塔煙草（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：ZB45 包裝機(jī)組按280 包/min 生產(chǎn)速度運(yùn)行，對(duì)改進(jìn)前后煙包干燥輸出裝置進(jìn)行測(cè)試，分別統(tǒng)計(jì)改進(jìn)前后各3 個(gè)月的煙包堵塞次數(shù)，每月抽檢2 天，取平均值。

3.2 數(shù)據(jù)分析

表1 可見，改進(jìn)后煙包堵塞次數(shù)由39.1 次/天降低至13.8 次/天，煙包輸出未出現(xiàn)移位或傾斜現(xiàn)象，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定。

表1 改進(jìn)前后煙包堵塞次數(shù)對(duì)比①Tab.1 Comparison of frequency of cigarette packet jam before and after modification

4 結(jié)論

改進(jìn)后ZB45 包裝機(jī)組煙包干燥輸出裝置，將主傳動(dòng)箱輸出的動(dòng)力源改進(jìn)為獨(dú)立交流伺服電動(dòng)機(jī)，將單O型帶改為雙O型帶，避免了煙包產(chǎn)生移位或傾斜，保證了煙包連續(xù)輸送，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠，有效解決了煙包傾斜而發(fā)生阻塞問題。以玉溪卷煙廠生產(chǎn)“紅塔山（細(xì)支傳奇）”等細(xì)支煙為對(duì)象，對(duì)改進(jìn)前后煙包干燥輸出裝置進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：改進(jìn)后煙包堵塞次數(shù)減少25.3 次/天，提高了設(shè)備運(yùn)行效率和生產(chǎn)適應(yīng)性。