貯柜耙料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

武占云，楊 彬，周玉生*，郭中艷

1.秦皇島煙草機(jī)械有限責(zé)任公司，河北省秦皇島市開發(fā)區(qū)龍海道67 號(hào) 066318

2.中國煙草總公司職工進(jìn)修學(xué)院，鄭州市鑫苑路7 號(hào) 450011

貯柜是煙草制絲生產(chǎn)線中的主要存儲(chǔ)設(shè)備［1-2］，使用范圍廣、數(shù)量多?，F(xiàn)有貯柜在出料口處設(shè)置有撥料裝置［3］，通過撥料輥的轉(zhuǎn)動(dòng)使物料松散［4］，達(dá)到均勻出料的目的，提高物料流量的穩(wěn)定性。但由于貯柜結(jié)構(gòu)存在設(shè)計(jì)缺陷，在出料過程中容易對(duì)煙絲產(chǎn)生造碎，增加煙絲損耗。目前，針對(duì)貯柜的撥料裝置已有較多研究和改進(jìn)，鄭玉忠等［5］和侯加文等［6］通過調(diào)整撥料輥耙釘數(shù)量和位置、優(yōu)化底帶運(yùn)行速度和撥料輥轉(zhuǎn)速等措施，降低了煙絲碎絲率，提高了卷煙內(nèi)在質(zhì)量；劉亦堅(jiān)等［7］采用柔性出料裝置代替撥絲輥，將打擊式出料改為柔性出料，同時(shí)將配絲裝置改為離心式勻絲圓盤，提高了煙絲純凈度，降低了煙絲造碎率；吳長(zhǎng)慶［8］設(shè)計(jì)了一種新型伸縮撥叉式撥料裝置，提高了穿孔機(jī)組的運(yùn)行效率。但上述改進(jìn)仍未能有效解決貯柜出料均勻性差及煙絲造碎率高等問題。為此，基于齒輪副傳動(dòng)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種耙料機(jī)構(gòu)，通過改變耙釘撥料方向，減輕對(duì)物料的沖擊，以期提高貯柜出料均勻性，改善卷煙產(chǎn)品質(zhì)量。

1 問題分析

在貯柜出料過程中，物料與底部輸送帶一起向出口方向移動(dòng)，物料堆積高度約為1 m。為及時(shí)有效地處理物料中出現(xiàn)的結(jié)團(tuán)煙絲，在貯柜出口處安裝有3 組撥料裝置。改進(jìn)前撥料裝置主要由撥料輥（1）、撥釘（2）、減速機(jī)（3）、架體（4）等部件組成，見圖1。撥料輥（1）沿圓周方向均布有多個(gè)撥釘（2），貯柜出料時(shí)撥料輥（1）由減速機(jī)（3）驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，撥釘（2）依次擊打物料并將物料向上撥出，由于干燥處理后的葉絲和梗絲含水率較低，撥釘多次對(duì)物料進(jìn)行沖擊和拍打會(huì)使物料造碎嚴(yán)重。

圖1 改進(jìn)前撥料裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of picker roller before modification

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

改進(jìn)后貯柜耙料機(jī)構(gòu)主要由耙釘軸（1）、旋轉(zhuǎn)圓盤（2）、側(cè)板（3）、驅(qū)動(dòng)裝置（4）等部件組成，見圖2。生產(chǎn)中物料在貯柜底帶作用下向出料口移動(dòng)，在驅(qū)動(dòng)裝置（4）的驅(qū)動(dòng)下，旋轉(zhuǎn)圓盤（2）帶動(dòng)耙釘軸（1）圍繞驅(qū)動(dòng)裝置（4）的中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，耙釘軸（1）上的耙釘成一定角度插入物料中，隨著耙釘軸（1）的轉(zhuǎn)動(dòng)夾帶物料下落，松散結(jié)團(tuán)煙絲，實(shí)現(xiàn)均勻出料。

2.1 耙釘軸

圖2 改進(jìn)后耙料機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of structure of raking mechanism after modification

由圖3 可見，耙釘軸的軸（1）上固定有一排L型耙釘（2），耙釘（2）隨軸（1）一起轉(zhuǎn)動(dòng)，每旋轉(zhuǎn)1周撥動(dòng)1 次物料。生產(chǎn)中耙釘（2）成一定角度插入物料，隨著旋轉(zhuǎn)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)，平行移動(dòng)的耙釘夾帶物料下落。耙釘（2）與物料接觸方式由改進(jìn)前的線接觸轉(zhuǎn)變?yōu)辄c(diǎn)接觸，降低了物料受力強(qiáng)度，減少了煙絲造碎。

圖3 耙釘軸結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of structure of spiker shaft

2.2 驅(qū)動(dòng)裝置

2.2.1 工作原理

驅(qū)動(dòng)裝置主要為整個(gè)機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力及傳動(dòng)，包括減速機(jī)（1）、中心軸（2）、星齒輪（3）、太陽輪（4）和惰齒輪（5）等部件，見圖4。減速機(jī)（1）通過中心軸（2）連接旋轉(zhuǎn)圓盤，太陽輪（4）安裝在側(cè)板上，惰齒輪（5）安裝在旋轉(zhuǎn)圓盤上，與太陽輪（4）和星齒輪（3）相嚙合；耙釘軸與星齒輪（3）剛性連接，并與旋轉(zhuǎn)圓盤通過軸承連接。生產(chǎn)中減速機(jī)（1）驅(qū)動(dòng)中心軸（2）帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)圓盤同步轉(zhuǎn)動(dòng)，固定在貯柜側(cè)板上的太陽輪（4）不產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，惰齒輪（5）和星齒輪（3）隨旋轉(zhuǎn)圓盤公轉(zhuǎn)的同時(shí)，在太陽輪（4）的作用下產(chǎn)生自轉(zhuǎn)；耙釘軸在圍繞中心軸（2）公轉(zhuǎn)的同時(shí)進(jìn)行自轉(zhuǎn)，保證耙釘伸出方向及彎曲方向不變［9］。

圖4 驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of structure of driving mechanism

2.2.2 確定傳動(dòng)比

設(shè)太陽輪齒數(shù)為Z1，惰齒輪齒數(shù)為Z2，星齒輪齒數(shù)為Z3，則Z1、Z2、Z3的關(guān)系為Z1=k×Z2，Z2=p×Z3。由于惰齒輪自轉(zhuǎn)主要起傳遞扭矩的作用，所以k 為大于0 的任意值，考慮到受力因素和安裝空間，取k=1。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，耙料機(jī)構(gòu)每旋轉(zhuǎn)1 周（即中心軸和旋轉(zhuǎn)圓盤旋轉(zhuǎn)1 周），要求耙釘撥動(dòng)物料1 次，故取p=1（根據(jù)物料接觸次數(shù)，p 值也可取2，3，…）。當(dāng)旋轉(zhuǎn)圓盤旋轉(zhuǎn)n1周時(shí)，惰齒輪自轉(zhuǎn)周數(shù)n2=Z1/Z2×n1=kn1，星齒輪自轉(zhuǎn)周數(shù)n3=Z2/Z3×n2=pn2。由圖4 可見，當(dāng)減速機(jī)旋轉(zhuǎn)1 周時(shí)，4 個(gè)惰齒輪和4個(gè)星齒輪也旋轉(zhuǎn)1 周，從而使耙釘軸繞中心軸公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)均與中心軸同步，確保每個(gè)耙釘彎鉤與物料接觸狀態(tài)保持一致。

2.3 結(jié)構(gòu)驗(yàn)證和力學(xué)分析

2.3.1 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)關(guān)系

機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖表明了各零部件的運(yùn)動(dòng)關(guān)系和傳動(dòng)原理，見圖5。減速機(jī)（1）包含一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，惰齒輪（7）自轉(zhuǎn)形成一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，耙釘軸（4）與左右旋轉(zhuǎn)圓盤（3，5）間形成一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，星齒輪（6）、惰齒輪（7）、太陽輪（8）間形成兩個(gè)高副。

圖5 耙料機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖Fig.5 Movement diagram of raking mechanism

2.3.2 機(jī)構(gòu)自由度驗(yàn)證

機(jī)構(gòu)自由度就是機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)時(shí)所必須給定的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)參數(shù)的數(shù)目，機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件是機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件數(shù)等于機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)［10］。

機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式［11］為：

F=3n-2pL-pH

式中：F—機(jī)構(gòu)自由度；n—活動(dòng)構(gòu)件數(shù)；pL—平面運(yùn)動(dòng)低副；pH—平面運(yùn)動(dòng)高副。

根據(jù)圖5 計(jì)算可得，耙釘機(jī)構(gòu)自由度F=3n-2pL-pH=3×3-2×3-2=1，F(xiàn)＞0且與原動(dòng)件數(shù)相等，故該機(jī)構(gòu)各構(gòu)件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是確定的。

2.3.3 運(yùn)動(dòng)軌跡分析

由圖6 可見，惰齒輪中心軸在旋轉(zhuǎn)圓盤的驅(qū)動(dòng)下沿軌跡運(yùn)行，因惰齒輪與太陽輪嚙合而進(jìn)行自轉(zhuǎn)；同樣星齒輪中心軸在旋轉(zhuǎn)圓盤的驅(qū)動(dòng)下沿軌跡運(yùn)行，因星齒輪與惰齒輪嚙合而進(jìn)行自轉(zhuǎn)。由2.2.2 節(jié)分析可知Z1=Z2=Z3，所以當(dāng)惰齒輪圍繞太陽輪旋轉(zhuǎn)1 周時(shí)，星齒輪也自轉(zhuǎn)1 周，星齒輪上a、b、c、d 點(diǎn)的相對(duì)位置保持不變，在實(shí)現(xiàn)耙料功能的同時(shí)，保證物料順利落下。

圖6 運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.6 Movement trajectory

2.3.4 物料受力分析

改進(jìn)前撥料裝置作用在物料上的合力方向隨撥料輥的轉(zhuǎn)動(dòng)而改變，但其大小不變，見圖7。水平分力在物料與撥釘接觸到物料與撥料輥中心線平齊的過程中逐漸減小，當(dāng)超過撥料輥中心線時(shí)，水平分力方向改變并逐漸增大；垂直分力在物料與撥釘接觸到物料與撥料輥中心線平齊的過程中逐漸增大，當(dāng)超過撥料輥中心線時(shí)，垂直分力方向不變但逐漸減小。在此過程中大部分物料被撥出，小部分物料被撥料輥撥起后落下，在下落過程中與撥釘再次接觸，物料因反復(fù)受力產(chǎn)生煙絲造碎。

圖7 改進(jìn)前撥料裝置的物料受力分析Fig.7 Mechanical analysis of tobacco in picker roller before modification

改進(jìn)后耙料機(jī)構(gòu)作用在物料上的合力、水平分力和垂直分力的方向和大小均不變，見圖8。機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)方向與物料落料方向保持一致，避免耙釘與物料多次接觸對(duì)煙絲造碎產(chǎn)生影響。由于物料受力在整個(gè)耙料過程中恒定，故物料受力大小可控，進(jìn)而達(dá)到均勻出料的目的。

圖8 改進(jìn)后耙料機(jī)構(gòu)的物料受力分析Fig.8 Mechanical analysis of tobacco in raking mechanism after modification

3 應(yīng)用效果

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

材料：“好貓”牌卷煙配套煙絲（由陜西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司澄城卷煙廠提供）。

設(shè)備：GPT28D 貯柜1 臺(tái)（秦皇島煙草機(jī)械有限責(zé)任公司）。

方法：貯柜出料裝置分別采用撥料裝置和耙料機(jī)構(gòu)，選用同一配方3 批次煙絲進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)改進(jìn)前后各批次出料整絲率，取平均值。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由表1 可知，采用耙料機(jī)構(gòu)出料整絲率為81.32%，采用撥料裝置出料整絲率為80.81%，整絲率提高0.51 百分點(diǎn)，有效減少了煙絲造碎，降低了物料損耗。

表1 撥料裝置和耙料機(jī)構(gòu)出料整絲率對(duì)比Tab.1 Comparison of integral strand proportion in tobacco discharged by picker roller and raking mechanism （%）

4 結(jié)論

采用齒輪副傳動(dòng)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種貯柜耙料機(jī)構(gòu)，通過改變耙釘撥料方向，使耙釘以一定角度插入物料中，隨著耙釘軸轉(zhuǎn)動(dòng)撥出物料，松散結(jié)團(tuán)煙絲，實(shí)現(xiàn)均勻出料。以澄城卷煙廠生產(chǎn)的“好貓”

牌卷煙配套煙絲為對(duì)象進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：與撥料裝置相比，采用耙料機(jī)構(gòu)的出料整絲率提高0.51 百分點(diǎn)，且物料受力大小可控，降低了物料加工強(qiáng)度，減少了煙絲造碎。該機(jī)構(gòu)還可應(yīng)用于細(xì)支煙生產(chǎn)線中，將耙釘制作成鋒利鐮刀狀，在撥動(dòng)煙絲的同時(shí)對(duì)長(zhǎng)煙絲進(jìn)行定長(zhǎng)切割，從而達(dá)到控制煙絲長(zhǎng)度的目的。