PROTOS2-2 卷接機(jī)組煙條分離輪的改進(jìn)設(shè)計

杜坤艷，康 瑛，孫 斌，程衛(wèi)民，張穎靚

中煙機(jī)械技術(shù)中心有限責(zé)任公司，上海市浦東新區(qū)金海路1000 號 201206

PROTOS2-2 卷接機(jī)組是德國HAUNI 公司生產(chǎn)的超高速卷接設(shè)備，生產(chǎn)能力16 000 支/min，具有自動化程度高、運(yùn)行穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，在卷煙生產(chǎn)企業(yè)得到廣泛應(yīng)用。煙條分離輪是PROTOS2-2機(jī)組的關(guān)鍵部件之一，其作用是將被分切成兩段的煙條在軸向上分離，并在分開的煙條中加入一段雙倍長濾嘴段[1]。實(shí)際生產(chǎn)中煙條分離輪通過凸輪控制內(nèi)、外排煙條的移動，當(dāng)煙支濾嘴長度規(guī)格變化時需要更換相應(yīng)規(guī)格的凸輪，費(fèi)時費(fèi)力，影響生產(chǎn)效率。近年來隨著煙草行業(yè)柔性化生產(chǎn)要求越來越高，針對PROTOS2-2 已進(jìn)行了大量研究和改進(jìn)。程衛(wèi)民等[2]改進(jìn)了超高速型卷接機(jī)組的調(diào)頭輪，并采用獨(dú)立伺服電機(jī)代替齒輪傳動，減小了傳動系統(tǒng)磨損，降低了設(shè)備運(yùn)行噪聲；龔佳偉等[3]設(shè)計了超高速卷接機(jī)組濾嘴接裝機(jī)鼓輪驅(qū)動系統(tǒng)，為國產(chǎn)卷煙機(jī)鼓輪全伺服化提供了理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)；杜坤艷等[4]研究了利用傅里葉級數(shù)設(shè)計煙支分離輪凸輪的方法；潘恒樂等[5]改進(jìn)了PROTOS2-2 的循環(huán)風(fēng)機(jī)，降低了流化床的空氣溫度；劉為剛等[6]研制了一種搓接鼓輪自動清潔裝置，減少了設(shè)備停機(jī)次數(shù)，提高了設(shè)備運(yùn)行效率；王永峰等[7]改進(jìn)了磨刀裝置，提高了煙支濾嘴切口質(zhì)量；孫斌等[8]設(shè)計了一種接裝紙噴膠裝置，提高了接裝紙上膠質(zhì)量；童斌等[9]設(shè)計了ZJ116 卷接機(jī)組煙條分離輪專用工裝，提高了裝配效率；陳嘯[10]對一種無凸輪分離輪的工作原理進(jìn)行了分析。但對于PROTOS2-2 煙條分離輪的改進(jìn)設(shè)計則鮮見報道。為此，在不改變卷接機(jī)組結(jié)構(gòu)的前提下，對PROTOS2-2 煙條分離輪進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，以期實(shí)現(xiàn)煙支濾嘴長度規(guī)格的快速更換，節(jié)約生產(chǎn)時間，提高工作效率。

1 問題分析

PROTOS2-2 機(jī)組煙條分離輪是在內(nèi)部設(shè)置兩個端面凸輪，分別控制內(nèi)、外排煙條的移動，其結(jié)構(gòu)見圖1。內(nèi)凸輪1 通過推桿驅(qū)動外排滑座4，外凸輪2 通過推桿驅(qū)動內(nèi)排滑座3。實(shí)際應(yīng)用表明，這種類型的鼓輪其內(nèi)部凸輪需要潤滑油進(jìn)行潤滑，存在漏油風(fēng)險，容易造成煙條污染，甚至出現(xiàn)因潤滑效果不佳導(dǎo)致凸輪燒壞等現(xiàn)象，設(shè)備維護(hù)難度較大。此外，現(xiàn)有濾嘴接裝機(jī)的煙條分離輪只適用于生產(chǎn)單一規(guī)格濾嘴卷煙，當(dāng)需要生產(chǎn)不同規(guī)格濾嘴（比如長度不同）卷煙時，則必須更換相應(yīng)規(guī)格的凸輪，影響生產(chǎn)效率。因此，設(shè)計一種不需要更換零件即可實(shí)現(xiàn)煙支濾嘴長度規(guī)格快速調(diào)整的煙條分離輪是本研究中的關(guān)鍵。

圖1 改進(jìn)前PROTOS2-2 機(jī)組煙條分離輪結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of tobacco rod separating drum in PROTOS2-2 cigarette maker before modification

2 設(shè)計方法

2.1 改進(jìn)后煙條分離輪結(jié)構(gòu)

改進(jìn)后煙條分離輪主要由擺動盤、內(nèi)外排滑塊、約束滑塊、調(diào)整機(jī)構(gòu)等部分組成，見圖2a。由于煙條分離輪左右對稱，圖2a 中只標(biāo)出了部分外排零件。改進(jìn)后煙條分離輪沿圓周均勻分布12 個外排滑塊4，每個滑塊上均設(shè)置2 個煙槽，煙槽之間的周節(jié)距為12π，與PROTOS2-2 原結(jié)構(gòu)保持一致。連桿3 兩端通過關(guān)節(jié)軸承連接滑塊底部與擺動盤15 外圈，當(dāng)驅(qū)動軸帶動分離輪輪體旋轉(zhuǎn)時，由于擺動盤15 傾斜一定角度，旋轉(zhuǎn)的擺動盤帶動滑塊沿兩根導(dǎo)桿做往復(fù)運(yùn)動。為保證滑塊與擺動盤外圈在圓周方向上相對位置保持穩(wěn)定，內(nèi)外排滑塊4、5 需要在同一根導(dǎo)桿上分別設(shè)置一個約束滑塊2，約束滑塊2 同樣通過關(guān)節(jié)軸承與擺動盤外圈連接。

圖2b 可見，在鼓輪內(nèi)部旋轉(zhuǎn)軸方向上對稱設(shè)置兩個擺動盤9、15，擺動盤內(nèi)圈10、14 的上端通過鉸鏈固定在機(jī)架上，下端分別設(shè)置內(nèi)外排調(diào)整機(jī)構(gòu)11、13，擺動盤外圈8、16 分別通過連桿3、6 與內(nèi)外排滑塊連接，擺動盤外圈可以繞內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)。內(nèi)排調(diào)整機(jī)構(gòu)11 由構(gòu)件a 和構(gòu)件b 組成，構(gòu)件a 與構(gòu)件b 構(gòu)成移動副；外排調(diào)整機(jī)構(gòu)13 由構(gòu)件c 和構(gòu)件d 組成，構(gòu)件c 與構(gòu)件d 構(gòu)成移動副。構(gòu)件a 和構(gòu)件c 具有旋轉(zhuǎn)方向相反的螺紋，構(gòu)件b 和構(gòu)件d分別與擺動盤內(nèi)圈10、14 構(gòu)成回轉(zhuǎn)副。調(diào)整絲桿12 兩端具有旋轉(zhuǎn)方向相反的螺紋，與機(jī)架構(gòu)成回轉(zhuǎn)副，并分別與構(gòu)件a 和構(gòu)件c 構(gòu)成螺旋副。約束滑塊2、7 分別與導(dǎo)桿1 構(gòu)成圓柱副，約束擺動盤外圈與內(nèi)外排滑塊4、5 在圓周方向上的相對位置。當(dāng)鼓輪旋轉(zhuǎn)時，導(dǎo)桿1 帶動擺動盤外圈旋轉(zhuǎn)，外圈通過連桿帶動內(nèi)外排滑塊4、5 沿導(dǎo)桿1 做往復(fù)運(yùn)動，使吸附于內(nèi)排滑座及外排滑座上且對齊的兩列煙條在軸向上分離并形成一定距離。

圖2 改進(jìn)后煙條分離輪結(jié)構(gòu)和工作原理圖Fig.2 Structure and working principle of modified tobacco rod separating drum

2.2 分離行程快速調(diào)整方法

當(dāng)濾嘴長度發(fā)生變化時，必須對內(nèi)外排滑塊4、5 的分離行程進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)旋轉(zhuǎn)調(diào)整絲桿12時，由于調(diào)整絲桿分別與構(gòu)件a 和構(gòu)件c 構(gòu)成螺旋副，構(gòu)件a 會有沿調(diào)整絲桿12 軸向往外或者往內(nèi)移動的趨勢。此外，由于構(gòu)件a 與構(gòu)件b、構(gòu)件c 與構(gòu)件d 構(gòu)成移動副，構(gòu)件b 和構(gòu)件d 分別與擺動盤內(nèi)圈10、14 構(gòu)成回轉(zhuǎn)副，這種移動趨勢會驅(qū)動回轉(zhuǎn)副轉(zhuǎn)動，確保構(gòu)件a 和構(gòu)件c 同時滿足螺旋副與移動副的運(yùn)動要求，進(jìn)而帶動整個擺動盤產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)分離行程的快速調(diào)整。

2.3 擺動盤

改進(jìn)后煙條分離輪的核心部件是左右對稱布置的擺動盤，其作用是帶動滑塊沿導(dǎo)桿做往復(fù)運(yùn)動，所以運(yùn)轉(zhuǎn)時擺動盤內(nèi)部的軸承承受雙向軸向載荷。研究發(fā)現(xiàn)，雙列角接觸球軸承可承受雙向軸向載荷，但是體積較大，因分離輪內(nèi)部空間有限，故無法采用雙列角接觸球軸承。四點(diǎn)角接觸球軸承是徑向單列角接觸球軸承，其滾道主要用來支撐作用于兩個方向上的軸向載荷和徑向載荷；四點(diǎn)角接觸球軸承為分離式設(shè)計，即帶有滾球和保持架組件的外圈可分別安裝在兩個內(nèi)圈半環(huán)上，與雙列角接觸球軸承相比，四點(diǎn)角接觸球軸承占用空間較小。分析可見，采用四點(diǎn)角接觸球軸承可以滿足分離輪的運(yùn)動條件和空間布局要求。根據(jù)分離輪的整體結(jié)構(gòu)尺寸，選用型號為L18SG600.2RSD 的FAG 四點(diǎn)角接觸球軸承，內(nèi)徑d=152.4 mm，外徑D=171.45 mm，寬度B=12.7 mm。

擺動盤結(jié)構(gòu)見圖3。固定件1、旋轉(zhuǎn)件2 和軸3構(gòu)成一個鉸鏈機(jī)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)件2 可沿軸3 繞固定件1旋轉(zhuǎn)。固定件1 固定在配氣座上，擺動盤內(nèi)圈6 上端固定在旋轉(zhuǎn)件2 上；擺動盤內(nèi)圈6 下端固定在外排調(diào)整機(jī)構(gòu)9 上。調(diào)整絲桿10 兩端帶有反向螺紋，分別與外排調(diào)整機(jī)構(gòu)9 和內(nèi)排調(diào)整機(jī)構(gòu)的螺紋連接。

調(diào)整機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)見圖4。支架3 通過螺釘固定在擺動盤內(nèi)圈上，活動件1 既可以沿導(dǎo)向軸2 進(jìn)行平面平移，也可以與導(dǎo)向軸2 一起旋轉(zhuǎn)，且活動件1 上的螺紋與調(diào)整絲桿連接。當(dāng)需要改變?yōu)V嘴長度規(guī)格時，只需旋轉(zhuǎn)調(diào)整絲桿，活動件1 即可沿調(diào)整絲桿外移或者內(nèi)移，同時圖3 中的旋轉(zhuǎn)件2 繞軸3 旋轉(zhuǎn)，擺動盤外圈則帶動滑塊沿導(dǎo)桿軸向移動，實(shí)現(xiàn)分離行程的快速調(diào)整。

圖3 擺動盤結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of swing plate

圖4 調(diào)整機(jī)構(gòu)分解圖Fig.4 Decomposition chart of adjustment mechanism

2.4 主要尺寸關(guān)系

圖5 改進(jìn)后煙條分離輪主要尺寸關(guān)系Fig.5 Main dimension relationships of modified tobacco rod separating drum

改進(jìn)后煙條分離輪主要尺寸關(guān)系見圖5。以中心面與墻板的距離A=230 mm 為設(shè)計基準(zhǔn)，滑塊運(yùn)動空間長度B、滑塊最大分離行程C 和滑塊長度D 必須滿足B ＞C+2×D ，為使分離行程最大化，在保證機(jī)構(gòu)不干涉的前提下應(yīng)盡量減小E。根據(jù)分離輪內(nèi)部空間要求，連接滑塊和擺動盤的關(guān)節(jié)軸承型號為GE6E，內(nèi)徑d=6 mm，外徑D=14 mm，厚度B=6 mm，額定傾角a=13°。為保證分離輪正常運(yùn)轉(zhuǎn)，關(guān)節(jié)軸承的傾角必須小于13°。

采用三維軟件CREO 建模并進(jìn)行仿真，根據(jù)上述關(guān)系選取最優(yōu)尺寸值，得到擺動盤偏轉(zhuǎn)角度θ與滑塊分離行程D 及上下端關(guān)節(jié)軸承傾角的關(guān)系，見表1。運(yùn)用MATLAB 對擺動盤偏轉(zhuǎn)角度θ和滑塊分離行程進(jìn)行線性擬合，可得D=6.65×θ+3.6，即擺動盤每偏轉(zhuǎn)1°，滑塊的分離行程改變6.65 mm。由表1 可知，當(dāng)擺動盤偏轉(zhuǎn)角度θ為極限值13°時，下端關(guān)節(jié)軸承傾角為12.72°，小于額定傾角；上端關(guān)節(jié)軸承傾角為13.33°，大于額定傾角。為保證分離輪正常運(yùn)轉(zhuǎn)，擺動盤最大偏轉(zhuǎn)角度設(shè)定為12°，此時上下端關(guān)節(jié)軸承的傾角均在額定范圍內(nèi)，此時分離輪的分離行程為83.6 mm。

表1 擺動盤偏轉(zhuǎn)角度與滑塊分離行程及上下端關(guān)節(jié)軸承傾角的關(guān)系Tab.1 Relationships of deflection angle of swing plate with separating stroke of slide blocks and inclination angles of top and bottom joint bearings

3 應(yīng)用效果

3.1 試驗(yàn)設(shè)計

材料：濾嘴長度25 mm 卷煙（常德煙草機(jī)械設(shè)備有限責(zé)任公司提供）。

設(shè)備：ZJ116A 卷接機(jī)組（PROTOS2-2 國產(chǎn)型號，常德煙草機(jī)械設(shè)備有限責(zé)任公司）。

測試方法：將改進(jìn)后的煙條分離輪在ZJ116A卷接機(jī)組上進(jìn)行測試。①靜態(tài)測試。用5 mm 內(nèi)六角扳手旋轉(zhuǎn)調(diào)整絲桿，記錄最大分離行程；②卷接機(jī)組空載測試。分別設(shè)置分離輪分離行程為36，56 和76 mm，機(jī)組運(yùn)行速度為14 000 支/min，運(yùn)行時間不低于45 min，對機(jī)構(gòu)干涉、噪聲等情況進(jìn)行測試。

3.2 數(shù)據(jù)分析

靜態(tài)測試結(jié)果表明，改進(jìn)后煙條分離輪能夠?qū)崿F(xiàn)分離行程的快速調(diào)整，最大分離行程為83.6 mm，能夠滿足目前國內(nèi)大部分卷煙品牌（常規(guī)濾嘴長度為25 mm，一般不超過35 mm）的生產(chǎn)需求。空載測試結(jié)果（表2）表明，3 種分離行程的測試值與設(shè)定值誤差均＜0.3%，且改進(jìn)后分離輪運(yùn)行平穩(wěn)、無撞擊，噪聲＜85 dB（A），符合GB/T 50087—2013[11]工業(yè)企業(yè)噪聲控制設(shè)計規(guī)范要求。生產(chǎn)的煙條外觀無褶皺、無擠壓，符合GB 5606.3—2005[12]工藝規(guī)范要求。

表2 煙條分離輪分離行程測試結(jié)果Tab.2 Test results of separating stroke of tobacco rod separating drum

4 結(jié)論

采用擺動盤技術(shù)設(shè)計的煙條分離輪不再采用凸輪機(jī)構(gòu)，通過相對于分離中心面對稱設(shè)置于輪體內(nèi)部的擺動盤來控制滑塊的分離行程，在不改變卷接機(jī)組結(jié)構(gòu)的前提下，實(shí)現(xiàn)了煙支濾嘴長度規(guī)格的快速調(diào)整，有效減輕了勞動強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率。以ZJ116A 卷接機(jī)組為對象進(jìn)行測試，結(jié)果表明：煙條分離輪最大分離行程為83.6 mm，能夠滿足國內(nèi)卷煙企業(yè)的生產(chǎn)需求；在14 000 支/min 運(yùn)行速度下生產(chǎn)濾嘴長度25 mm 卷煙時，3 種分離行程的測試值與設(shè)定值誤差均＜0.3%，分離輪運(yùn)行平穩(wěn)、噪聲低，生產(chǎn)的煙條外觀無褶皺、無擠壓，符合工藝規(guī)范要求。該技術(shù)同樣適用于PROTOS 90E、1-8 等使用凸輪機(jī)構(gòu)的卷接機(jī)組，以提升設(shè)備智能化、柔性化水平。