ZB45 包裝機組煙包干燥輸出獨立驅(qū)動裝置的設(shè)計

呂小波，馬 立，刀榮貴，劉耕硯，周 波

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

隨著低焦油卷煙和細支煙生產(chǎn)的快速發(fā)展和銷售市場的不斷擴大，國內(nèi)卷煙工業(yè)企業(yè)紛紛對細支煙的研發(fā)生產(chǎn)加大力度，并推出各具特色的細支煙產(chǎn)品［1]。目前細支煙生產(chǎn)的主要設(shè)備為ZB45 包裝機組，該機組的煙包干燥輸出裝置承接8 號輪推出的煙包，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。該裝置動力由主機的傳動齒輪提供，設(shè)備運行時輸送帶的輸送速度與主機速度保持同步，因此煙包在上游被剔除后會在煙包干燥輸出裝置中產(chǎn)生空位，由于細支煙包厚度較薄在掉頭時容易發(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煙包干燥輸出裝置動力源，不使用由主機提供的動力，而采用獨立動力源，當(dāng)煙包空缺時輸送帶不傳動，以保證煙包隨時填滿整個煙包干燥輸出裝置。目前獨立動力源大多采用伺服電動機，伺服電動機分為直流和交流兩種，直流伺服電動機的碳刷和換向器在運行中容易產(chǎn)生火花和磨損，需要經(jīng)常維護和保養(yǎng)［2-3]，因此在設(shè)備改進中大多采用交流伺服電機。其中，YF17A 型卷煙儲存輸送裝置［4]、HAUNI 1-8 型卷接機組等使用了多個獨立驅(qū)動裝置［5]；YB55A 型包裝機透明紙輸送裝置動力源由主機傳動提供的送紙輥之間的摩擦滾動改為伺服電動機控制［6-7]；應(yīng)用伺服電動機作為動力設(shè)計了YF17 卷煙儲存器自動落煙裝置［8]；采用伺服驅(qū)動控制實現(xiàn)了裝盒機與物流傳送系統(tǒng)設(shè)備的流暢對接［9]；應(yīng)用獨立交流伺服驅(qū)動技術(shù)重新設(shè)計了PASSIM 卷接機組緊頭位置調(diào)整系統(tǒng)［10]；應(yīng)用伺服電機控制系統(tǒng)精確切割GDX2 包裝機組帶圖案的框架紙［11]等。上述研究改進在生產(chǎn)實踐中均取得良好應(yīng)用效果。為此，基于交流伺服電動機設(shè)計了一種煙包干燥輸出獨立驅(qū)動裝置，通過改變控制參數(shù)快速調(diào)整輸出通道輸送帶的步進量，實現(xiàn)輸送帶與煙包同步運行，以期提高ZB45 包裝機組對不同卷煙包裝規(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，帶動輸送帶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，在O型帶的夾持下將掉頭煙包4 送入下游。如果煙包在進入干燥輸出裝置前被剔除，則會產(chǎn)生煙包空位3，當(dāng)進入轉(zhuǎn)向器時，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 小盒包裝機主傳動箱內(nèi)齒輪1 帶動輸出裝置運行，箱體內(nèi)的齒輪1 經(jīng)萬向聯(lián)軸器將動力傳遞給輸出裝置傳動箱的齒輪2，再通過齒輪3、4、12、11、10 和同步齒形帶5 實現(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)動時，輸送輥6、7、8、9 也保持連續(xù)轉(zhuǎn)動。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，在O型帶的夾持下將煙包送入下游。該設(shè)備在生產(chǎn)前圓后方的細支煙時，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)向時因煙包缺少支撐點，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)備停機率增加。

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

2 改進方法

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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

分析可見，取消主傳動箱輸出的動力源、改進輸送帶的驅(qū)動方式是解決該問題的關(guān)鍵。改進后采用交流伺服電動機獨立驅(qū)動，通過檢測系統(tǒng)的信號轉(zhuǎn)換，保證輸送帶步進運行，在剔除不合格煙包或煙包取出時，輸送帶停止運動，避免產(chǎn)生煙包空位，使煙包始終填滿輸送帶。圖3 可見，獨立驅(qū)動裝置由交流伺服電動機1 提供動力，通過減速器2 驅(qū)動圓錐齒輪14 旋轉(zhuǎn)；交流伺服電動機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，動力經(jīng)圓錐齒輪13、14 通過聯(lián)軸器帶動雙聯(lián)齒輪3 轉(zhuǎn)動，其余的傳動方式與改進前一致，由此形成完整的獨立驅(qū)動單元。生產(chǎn)中8 號輪每推出一個煙包，電動機就會接收到一個脈沖信號，進而旋轉(zhuǎn)一個對應(yīng)角度驅(qū)動輸送輥，使輸送帶移動一個煙包厚度的距離。本研究中選擇電動機轉(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，軸交角∑=90°。設(shè)計時使用圓錐齒輪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速度達到415 包/min，能與包裝機速度匹配。由圖4 可見，已知μ=2，取大端模數(shù)m=2.5，可計算得到分錐角tgδ=1/μ=0.5，進而得到δ=26.565°，錐距

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

2.2 電氣設(shè)計

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

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

2.3 雙O型帶設(shè)計

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型帶傳動的極限轉(zhuǎn)速10～20 m/s。

（3）已知電機功率P=1.2 kW，工況系數(shù)（因煙包質(zhì)量較小，載荷變動微小，工況系數(shù)取1）KA=1，則O型帶設(shè)計功率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 改進后轉(zhuǎn)向器示意圖Fig.6 Schematic diagram of steering gear after modification

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

3 應(yīng)用效果

3.1 試驗設(shè)計

材料：“紅塔山（細支傳奇）”、“玉溪（細支清香世家）”、“玉溪（細支創(chuàng)客）”、“玉溪（細支初心）”牌卷煙［由紅塔煙草（集團）有限責(zé)任公司玉溪卷煙廠提供]。

設(shè)備：ZB45 包裝機組（上海煙草機械有限責(zé)任公司）。

方法：ZB45 包裝機組按280 包/min 生產(chǎn)速度運行，對改進前后煙包干燥輸出裝置進行測試，分別統(tǒng)計改進前后各3 個月的煙包堵塞次數(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)備運行穩(wěn)定。

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

4 結(jié)論

改進后ZB45 包裝機組煙包干燥輸出裝置，將主傳動箱輸出的動力源改進為獨立交流伺服電動機，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（細支傳奇）”等細支煙為對象，對改進前后煙包干燥輸出裝置進行測試，結(jié)果表明：改進后煙包堵塞次數(shù)減少25.3 次/天，提高了設(shè)備運行效率和生產(chǎn)適應(yīng)性。