HCF-M 裝盤機(jī)轉(zhuǎn)角輸送段鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的改進(jìn)

劉瀾波，韓艷軍，陳 波，李華明，劉荊馨

1. 湖南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司長(zhǎng)沙卷煙廠，長(zhǎng)沙市勞動(dòng)中路426 號(hào) 410007

2. 西安理工大學(xué)印刷包裝與數(shù)字媒體學(xué)院，西安市碑林區(qū)金花南路5 號(hào) 710048

COMFLEX-MV 是從德國(guó)HAUNI 公司引進(jìn)的煙支貯存輸送系統(tǒng)[1]，主要由HCF-M 裝盤機(jī)、MAGOMAT-M 卸盤機(jī)和RTS-V 輸送裝置組成，煙支輸送速度高達(dá)16 000 支/min。由于HCF-M 裝盤機(jī)轉(zhuǎn)角輸送段的煙支輸送鏈排驅(qū)動(dòng)裝置是一個(gè)典型的多從動(dòng)軸單驅(qū)動(dòng)鏈傳動(dòng)[2]，轉(zhuǎn)角輸送段在運(yùn)行一段時(shí)間后容易出現(xiàn)鏈條卡死、導(dǎo)輪過載損壞等故障[3]，影響煙支輸送效率。針對(duì)鏈傳動(dòng)的使用問題，殷玉楓[4]提出了多從動(dòng)軸單驅(qū)動(dòng)鏈傳動(dòng)的滑動(dòng)摩擦功率概念并給出其計(jì)算公式，通過分析滾子鏈磨損條件得到了多從動(dòng)軸滾子鏈傳動(dòng)使用壽命計(jì)算公式；王建軍等[5]設(shè)計(jì)了一種適用于長(zhǎng)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)；岳新生等[6]和楊志剛等[7]分別對(duì)三軸鏈傳動(dòng)的設(shè)計(jì)步驟及多從動(dòng)輪鏈傳動(dòng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行了分析闡述。但對(duì)于根據(jù)實(shí)際情況將一級(jí)鏈傳動(dòng)優(yōu)化為多級(jí)鏈傳動(dòng)的改進(jìn)研究則鮮見報(bào)道。為此，采用組合式雙聯(lián)鏈輪技術(shù)對(duì)HCF-M 裝盤機(jī)轉(zhuǎn)角輸送段鏈傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，將一級(jí)鏈傳動(dòng)改進(jìn)為兩級(jí)鏈傳動(dòng)，以期簡(jiǎn)化鏈傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低設(shè)備故障率，提高機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性。

1 問題分析

HCF-M 裝盤機(jī)轉(zhuǎn)角輸送段作為B 輸入組件中的一個(gè)模塊，通過與檢視段模塊聯(lián)動(dòng)，將PROTOS-M5 卷接機(jī)組低位輸出的煙支提升到HCF-M 料庫(kù)中，見圖1。檢視段與轉(zhuǎn)角輸送段分別由單獨(dú)的AMK 伺服電機(jī)控制[8]，當(dāng)煙支流到達(dá)光傳感器B10 時(shí)，電機(jī)M10 啟動(dòng)檢視段；當(dāng)煙支流到達(dá)光傳感器B11 時(shí)，電機(jī)M11 啟動(dòng)上行的轉(zhuǎn)角輸送段；當(dāng)煙支流上升到光傳感器B13 時(shí)，上行轉(zhuǎn)角輸送段的運(yùn)行速度增加。

圖1 B 輸入組件電氣控制原理圖Fig.1 Principle of electrical control of B input component

轉(zhuǎn)角輸送段是由5 根輸送鏈排組合構(gòu)成的“S”形輸送通道，每根輸送鏈排由一個(gè)鏈輪驅(qū)動(dòng)，5 個(gè)鏈輪通過一條B 系列鏈條傳動(dòng)，鏈條標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)為06B-1，鏈節(jié)數(shù)LP為384 節(jié)[9]，整個(gè)鏈傳動(dòng)由AMK 伺服電機(jī)M11 驅(qū)動(dòng)。鏈輪Z1 安裝在電機(jī)M11 軸上，電機(jī)M11 順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。由圖2 可見，Z1 帶動(dòng)Z3、Z4 順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)Z2、Z5、Z6 逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，保證輸送鏈排運(yùn)動(dòng)方向滿足煙支所要求的輸送方向。此外，“S”形輸送通道為通透結(jié)構(gòu)，鏈條布置時(shí)必須繞開“S”形通道的通透區(qū)域，才能保證操作安全性。分析可知，造成鏈傳動(dòng)系統(tǒng)故障頻繁的主要原因是多從動(dòng)軸鏈傳動(dòng)系統(tǒng)中包含有3 個(gè)鏈輪反向傳動(dòng)，因增加多個(gè)導(dǎo)輪改變鏈條路徑，導(dǎo)致鏈傳動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜[10]，鏈條長(zhǎng)度達(dá)3 657.6 mm，造成帶擋邊導(dǎo)輪磨損，定位精度誤差增大，進(jìn)而出現(xiàn)鏈傳動(dòng)卡死現(xiàn)象。

圖2 改進(jìn)前機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖Fig.2 Kinematic sketch of mechanism before improvement

2 改進(jìn)方法

采用組合式雙聯(lián)鏈輪技術(shù)對(duì)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，在Z3 鏈輪處增加雙聯(lián)鏈輪Z7 來(lái)帶動(dòng)鏈輪Z4，在Z6 鏈輪處增加雙聯(lián)鏈輪Z8 來(lái)帶動(dòng)鏈輪Z5，改進(jìn)后反向傳動(dòng)的鏈輪數(shù)由3 個(gè)減少為1 個(gè)，導(dǎo)輪數(shù)由8 個(gè)減少為3 個(gè)，主傳動(dòng)鏈條鏈節(jié)數(shù)由384 節(jié)縮短到188 節(jié)，主傳動(dòng)鏈條長(zhǎng)度由3.7 m 縮短到1.8 m，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖見圖3。

圖3 改進(jìn)后機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖Fig.3 Kinematic sketch of mechanism after improvement

2.1 M11 驅(qū)動(dòng)電機(jī)反向設(shè)計(jì)

由圖3 可見，如果M11 驅(qū)動(dòng)電機(jī)仍按原方向旋轉(zhuǎn)，各煙支輸送鏈排則會(huì)反向運(yùn)動(dòng)。為此，改進(jìn)后通過工控機(jī)修改電機(jī)參數(shù)將電機(jī)換向，即將HCF-M 的機(jī)器參數(shù)“B 輸入段向左旋轉(zhuǎn)”由默認(rèn)“關(guān)閉”修改為“接通”，實(shí)現(xiàn)M11 驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)向切換，以保證5根從動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)方向和傳動(dòng)比保持不變。

2.2 雙聯(lián)鏈傳動(dòng)設(shè)計(jì)

根據(jù)Z3 與Z4、Z5 與Z6 兩對(duì)相鄰鏈輪轉(zhuǎn)向一致的特點(diǎn)，可以將Z4 和Z5 通過雙聯(lián)鏈輪進(jìn)行傳動(dòng)，并將原來(lái)的長(zhǎng)傳動(dòng)鏈分解成3 個(gè)短傳動(dòng)鏈，故需要在Z3 和Z6 鏈輪的芯軸上再安裝一個(gè)相同齒數(shù)的鏈輪。如果將新增鏈輪安裝在Z3 和Z6 鏈輪外側(cè)，則需要對(duì)Z3、Z4、Z5、Z6 的4 根芯軸重新設(shè)計(jì)和更換，改進(jìn)成本和工作量較大，因此將新增鏈輪安裝在Z3 和Z6 鏈輪內(nèi)側(cè)較合適。為保證改進(jìn)前后鏈傳動(dòng)的鏈條工作面不變，以軸的裝配臺(tái)階為基準(zhǔn)，鏈輪內(nèi)側(cè)到裝配臺(tái)階的距離為12 mm。圖4可見，鏈輪內(nèi)側(cè)到內(nèi)六角圓柱頭螺釘之間的距離a為16 mm，06B 鏈條銷軸寬度為13.5 mm，則內(nèi)側(cè)鏈條銷軸端與外側(cè)鏈輪的間隙只有2.5 mm。由于新增鏈輪厚度約為6 mm，可得鏈條銷軸端伸出鏈輪的寬度為（13.5-6）/2=3.75 mm。為避免內(nèi)、外側(cè)鏈條發(fā)生干涉，距離a 必須大于13.5+3.75=17.25 mm。

圖4 改進(jìn)前轉(zhuǎn)角輸送段鏈傳動(dòng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of chain drive at turning section before improvement

為增大內(nèi)側(cè)鏈輪的安裝空間，在保證外球面軸承[11]連接強(qiáng)度的前提下，將圖4 中的內(nèi)六角圓柱頭螺釘和普通墊圈改進(jìn)為沉頭螺釘和錐面墊圈，見圖5。改進(jìn)后外側(cè)鏈輪與沉頭螺釘?shù)拈g距b為23 mm，內(nèi)側(cè)鏈輪與沉頭螺釘?shù)拈g距c 為8 mm，保證了內(nèi)側(cè)鏈輪的安裝空間。此外，將連接法蘭與內(nèi)側(cè)鏈輪設(shè)計(jì)為整體結(jié)構(gòu)，即采用帶圓臺(tái)的鏈輪。改進(jìn)后外側(cè)鏈輪相對(duì)外球面軸承的基準(zhǔn)不變，內(nèi)側(cè)鏈輪與外球面軸承接觸面到圓臺(tái)平面的距離為12 mm。

圖5 改進(jìn)后單鏈輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure of single sprocket drive after improvement

2.3 Z4、Z5 鏈輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)

由圖3 可見，Z4、Z5 分別通過Z7、Z8 傳動(dòng)，因此Z4、Z5 在傳動(dòng)軸上的安裝位置需做相應(yīng)改變，具體設(shè)計(jì)參數(shù)與雙聯(lián)鏈傳動(dòng)設(shè)計(jì)類似，即將圖4中內(nèi)六角圓柱頭螺釘和普通墊圈改進(jìn)為沉頭螺釘和錐面墊圈，并將連接法蘭與鏈輪設(shè)計(jì)成整體結(jié)構(gòu)，見圖6。為保證鏈輪回轉(zhuǎn)平面在同一垂直面上，內(nèi)側(cè)鏈輪與沉頭螺釘?shù)拈g距c 為8 mm。

2.4 鏈節(jié)數(shù)計(jì)算

鏈節(jié)數(shù)LP的計(jì)算公式[12]為：

式中：LP為鏈節(jié)數(shù)；a 為兩鏈輪中心距，mm；p為鏈節(jié)節(jié)距，mm；z1為鏈輪Z1 齒數(shù)；z2為鏈輪Z2齒數(shù)。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，Z4 與Z7 間的中心距a=265 mm，Z4 與Z7 的齒數(shù)分別為23 和31，鏈號(hào)06B 的節(jié)距p=9.525 mm，故Z4 與Z7 間的鏈節(jié)數(shù)LP=2a/p+（z7+z4）/2+[（z7-z4）/2π]2p/a=82.69。為保證鏈條松邊有一定的安裝垂度[13]，避免過度使用鏈節(jié)，LP取偶數(shù)為84 節(jié)。同理得到Z5 與Z8 間的鏈節(jié)數(shù)為78 節(jié)，主傳動(dòng)鏈的鏈節(jié)數(shù)為188 節(jié)。

圖6 改進(jìn)后Z4、Z5 鏈輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure of Z4-Z5 sprocket drive after improvement

3 改進(jìn)效果

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

材料：“白沙（精品）”牌卷煙（由湖南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司長(zhǎng)沙卷煙廠提供）。

設(shè)備：6 臺(tái)PROTOS-M5 卷接機(jī)組對(duì)接的HCF-M 裝盤機(jī)（德國(guó)HAUNI 公司）。

方法：改進(jìn)后6 臺(tái)PROTOS-M5 卷接機(jī)組對(duì)接的HCF-M 裝盤機(jī)分別更換4 個(gè)新鏈輪，其他鏈輪、導(dǎo)輪和鏈條仍采用原件。通過MES 生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)，統(tǒng)計(jì)改進(jìn)前后各12 個(gè)月轉(zhuǎn)角輸送段鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行情況。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由表1 可見，改進(jìn)前6 臺(tái)機(jī)組設(shè)備多次出現(xiàn)轉(zhuǎn)角輸送段鏈傳動(dòng)故障，每臺(tái)設(shè)備每年故障次數(shù)平均為4.7 次，維修時(shí)間平均為346.5 min；改進(jìn)后6臺(tái)設(shè)備均運(yùn)行穩(wěn)定，未出現(xiàn)任何轉(zhuǎn)角輸送段鏈傳動(dòng)故障。在不改變整個(gè)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)各從動(dòng)軸同步關(guān)系的前提下，有效提高了鏈傳動(dòng)穩(wěn)定性。

表1 改進(jìn)前后轉(zhuǎn)角輸送段鏈傳動(dòng)系統(tǒng)故障統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of failures of chain drive system at turning section before and after improvement

4 結(jié)論

采用組合式雙聯(lián)鏈輪技術(shù)對(duì)HCF-M 裝盤機(jī)轉(zhuǎn)角輸送段鏈傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，在不改變鏈傳動(dòng)系統(tǒng)各從動(dòng)軸同步關(guān)系的前提下，主傳動(dòng)鏈條鏈節(jié)數(shù)縮短196 節(jié)，主傳動(dòng)鏈條長(zhǎng)度縮短1.9 m，反向傳動(dòng)鏈輪數(shù)減少2 個(gè)，鏈條導(dǎo)輪數(shù)減少5 個(gè)，降低了鏈條磨損造成的累計(jì)誤差，提高了鏈傳動(dòng)穩(wěn)定性。以長(zhǎng)沙卷煙廠生產(chǎn)的“白沙（精品）”牌卷煙為對(duì)象進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：改進(jìn)后HCF-M 裝盤機(jī)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)一年內(nèi)故障次數(shù)減少4.7 次/臺(tái)，維修時(shí)間縮短346.5 min/臺(tái)，提高了卷接設(shè)備生產(chǎn)效率。該技術(shù)可在COMFLEX 系列、S90、YF17 等采用鏈傳動(dòng)技術(shù)的煙支貯存輸送系統(tǒng)中推廣應(yīng)用。