GDX1主機(jī)出口轉(zhuǎn)盤(pán)傳動(dòng)軸的改進(jìn)分析

溫亮，吳德成，李正偉

（深圳煙草工業(yè)有限責(zé)任公司，廣東 深圳 518109）

GDX1軟盒包裝機(jī)組是卷煙生產(chǎn)行業(yè)普遍使用的包裝機(jī)型，原裝進(jìn)口于意大利G.D公司，設(shè)計(jì)能力為400包/min，是國(guó)內(nèi)卷煙企業(yè)的主流機(jī)型。GDX1包裝機(jī)主機(jī)采用出口轉(zhuǎn)盤(pán)進(jìn)行煙包的輸出，而出口轉(zhuǎn)盤(pán)采用出口轉(zhuǎn)盤(pán)傳動(dòng)軸（后稱(chēng)傳動(dòng)軸）進(jìn)行動(dòng)力傳輸，傳動(dòng)軸的運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性對(duì)提升出口轉(zhuǎn)盤(pán)的運(yùn)轉(zhuǎn)準(zhǔn)確性和提升煙包質(zhì)量有關(guān)鍵作用。但是，在實(shí)際工作中，傳動(dòng)軸的故障率較高，主要表現(xiàn)為十字萬(wàn)向節(jié)磨損和花鍵膠合等。目前，GDX1出口轉(zhuǎn)盤(pán)傳動(dòng)軸主要依賴(lài)于進(jìn)口，不但訂購(gòu)周期長(zhǎng)、使用成本高，而且因其自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，給維修、安裝工作增加了較大難度。

近年來(lái)，對(duì)GDX1包裝機(jī)組進(jìn)行了大量的技術(shù)改造。伍宇超通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行整體改進(jìn),將電磁鐵驅(qū)動(dòng)改造為電磁閥控制的氣缸驅(qū)動(dòng),有效地解決了因離合器驅(qū)動(dòng)裝置不穩(wěn)定而造成離合器失效的問(wèn)題；查海、王建中對(duì)GDX1軟盒包裝機(jī)條盒出口美容器溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，改善了條盒透明紙常常出現(xiàn)的邊角褶皺、局部溫度過(guò)高或過(guò)低等現(xiàn)象；徐友良,鄭以龍對(duì)GDX1、GDX2包裝機(jī)1號(hào)輪夾臂裝置進(jìn)行改造，解決了由于夾緊爪工作不到位而導(dǎo)致的煙支褶皺、掛破等質(zhì)量缺陷，保障了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，提高了設(shè)備的有效作業(yè)率，降低了維修的工作量；孫靖倚針對(duì)使用過(guò)程中商標(biāo)紙上膠不穩(wěn)定的問(wèn)題，對(duì)GDX1包裝機(jī)商標(biāo)紙上膠機(jī)構(gòu)膠輥及膠輥軸進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，有效地減少了膠輥與膠輥軸之間的磨損，避免了因膠輥偏心引起的涂膠不均勻的現(xiàn)象，提高了包裝機(jī)的生產(chǎn)效率；張曉斌、姚勁等通過(guò)在拉帶輸送組件輸送輪處增加防拉帶跳槽裝置，有效控制了小包透明紙拉帶包裝缺陷。但對(duì)于GDX1主機(jī)出口轉(zhuǎn)盤(pán)傳動(dòng)軸的改進(jìn)則少有報(bào)道。因此，對(duì)傳動(dòng)軸進(jìn)行改進(jìn)，旨在降低設(shè)備維修勞動(dòng)強(qiáng)度，提高設(shè)備的使用壽命。

1 問(wèn)題分析

1.1 工作原理

出口轉(zhuǎn)盤(pán)傳動(dòng)軸（后稱(chēng)傳動(dòng)軸）是連接齒輪軸OX5269與出口轉(zhuǎn)盤(pán)中心軸的傳動(dòng)構(gòu)件，動(dòng)力由齒輪軸OX5269輸入，將動(dòng)力傳遞到傳動(dòng)軸，傳動(dòng)軸與出口轉(zhuǎn)盤(pán)中心軸連接，帶動(dòng)出口轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)煙包的輸出運(yùn)動(dòng)，其傳動(dòng)示意圖如圖1所示。

圖1 GDX1出口轉(zhuǎn)盤(pán)傳動(dòng)示意圖

傳動(dòng)軸主要由左、右萬(wàn)向節(jié)和中部的軸體組成，見(jiàn)圖2。其中萬(wàn)向節(jié)為不可拆卸結(jié)構(gòu)，在使用過(guò)程中，傳動(dòng)軸兩端分別套接在齒輪軸和出口轉(zhuǎn)盤(pán)中心軸上，并采用頂絲固定，同時(shí)在兩端均配種了銷(xiāo)釘，以防止傳動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)走位，花鍵起到了伸縮改變傳動(dòng)軸長(zhǎng)度的作用，便于拆裝。在維修過(guò)程中，拆卸和安裝傳動(dòng)軸首先需要拆卸和安裝銷(xiāo)釘，維修耗時(shí)較長(zhǎng)。

圖2 傳動(dòng)軸的組成

1.2 存在問(wèn)題

出口轉(zhuǎn)盤(pán)推煙器使煙包由直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槔@轉(zhuǎn)盤(pán)中心軸的圓周運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生急劇變化且GDX1軟盒包裝機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度高，造成煙包在換向時(shí)容易發(fā)生堵塞，往往導(dǎo)致傳動(dòng)軸因承受過(guò)大扭矩而被損壞，如何降低傳動(dòng)軸的維修成本，提高使用壽命是設(shè)備維修人員急迫需要解決的難題。

目前，行業(yè)內(nèi)使用的傳動(dòng)軸采用十字萬(wàn)向節(jié)聯(lián)接叉形頭，無(wú)獨(dú)立的相位調(diào)節(jié)裝置，利用花鍵聯(lián)接，在維修、安裝過(guò)程中存在以下問(wèn)題：（1）采用十字連軸節(jié)，萬(wàn)向節(jié)不可拆卸，拆卸和安裝首先要拆卸和安裝銷(xiāo)釘，維修難度大。（2）傳動(dòng)軸采用花鍵聯(lián)接，一旦發(fā)生磨損，滑動(dòng)阻力變大，拆裝困難。（3）傳動(dòng)軸沒(méi)有獨(dú)立的相位調(diào)節(jié)裝置，相位走位后，需要重新配種銷(xiāo)釘，增加了傳動(dòng)軸相位調(diào)節(jié)難度。

2 改進(jìn)方法

通過(guò)分析目前行業(yè)內(nèi)GDX1主機(jī)出口轉(zhuǎn)盤(pán)傳動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)叉形頭配銷(xiāo)困難、萬(wàn)向節(jié)易損壞是導(dǎo)致傳動(dòng)軸拆裝時(shí)間長(zhǎng)、使用壽命短的主要原因。因此，針對(duì)目前傳動(dòng)軸萬(wàn)向節(jié)不可拆卸、花鍵膠合、無(wú)獨(dú)立的相位調(diào)節(jié)裝置等不足，改進(jìn)了傳動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)。

改進(jìn)后傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)了一種壓板式萬(wàn)向節(jié)，由兩塊壓板和成十字交叉疊合的銷(xiāo)軸組合而成，為可拆卸結(jié)構(gòu)。同時(shí)，在傳動(dòng)軸中部增加了一個(gè)拆卸口，方便傳動(dòng)軸拆卸過(guò)程中從中部脫開(kāi)，可以提高拆卸和相位調(diào)節(jié)的效率。此外，利用方桿方套的聯(lián)接方式代替原來(lái)的花鍵聯(lián)接，防止接觸面的膠合，提高拆卸效率。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 改進(jìn)后傳動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)

2.1 萬(wàn)向節(jié)設(shè)計(jì)

針對(duì)現(xiàn)有萬(wàn)向節(jié)存在的不足，設(shè)計(jì)了一種可拆卸板式結(jié)構(gòu)萬(wàn)向節(jié)，具有承載能力強(qiáng)、拆卸方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易加工等特點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 板式結(jié)構(gòu)萬(wàn)向節(jié)

板式結(jié)構(gòu)萬(wàn)向節(jié)由兩根帶有缺口的直銷(xiāo)和兩塊帶有U型直槽的壓板組成，安裝時(shí)，兩塊帶有U型直槽的壓板通過(guò)鎖緊螺釘將帶有缺口的直銷(xiāo)相互垂直地固定在一起，直銷(xiāo)的兩端通過(guò)軸承完成與叉形頭的配合。組合好的十字節(jié)，分別裝入左右兩個(gè)成90度排列的叉形頭中，每個(gè)叉形頭設(shè)計(jì)了兩個(gè)軸承，十字節(jié)的銷(xiāo)軸插入對(duì)應(yīng)叉形頭的軸承孔內(nèi)。拆裝時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)叉形頭至一定角度，即可安裝或者拆卸十字節(jié)的壓板螺釘，維修簡(jiǎn)單方便。

2.2 滑動(dòng)聯(lián)接配合參數(shù)設(shè)定

改進(jìn)后的傳動(dòng)軸采用方桿方套滑動(dòng)聯(lián)接方式代替花鍵聯(lián)接。方套設(shè)計(jì)了夾抱機(jī)構(gòu)，采用兩顆螺釘對(duì)方桿進(jìn)行夾緊，可以有效降低配合間隙，減少運(yùn)動(dòng)間隙，防止配合面的膠合和磨損，提升聯(lián)接強(qiáng)度。利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)優(yōu)化方頭方套配合的尺寸參數(shù)，其主要結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 方桿方套滑動(dòng)聯(lián)接

根據(jù)空心軸計(jì)算公式可得傳動(dòng)軸最小外徑尺寸Dmin為：

式中，p為出口轉(zhuǎn)盤(pán)功率，取p=2kW；α為軸的內(nèi)外徑比值，取α=0.8；[]?為材料剪切強(qiáng)度，材料為A3鋼，查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，取[?]=141MPa；n為出口轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速，取n=200rpm。

由GDX1主機(jī)出口轉(zhuǎn)盤(pán)傳動(dòng)軸的實(shí)測(cè)尺寸可知，傳動(dòng)軸的直徑d為25㎜，改進(jìn)后傳動(dòng)軸的滑動(dòng)聯(lián)接承載能力設(shè)置為原有軸的基礎(chǔ)上提高20%，故改進(jìn)后傳動(dòng)軸的滑動(dòng)聯(lián)接母頭外徑D=30㎜＞Dmin。由于軸的內(nèi)外徑比值α為0.8，故方桿方套滑動(dòng)聯(lián)接母頭內(nèi)徑不能超過(guò)24㎜。

方頭的寬度h和厚度b對(duì)方頭的強(qiáng)度起到關(guān)鍵作用，因此方頭所受剪切應(yīng)力應(yīng)滿足：

式中，T為傳動(dòng)軸所受扭矩（N?m）；δ為A3鋼泊松比，取δ=0.3。

以方頭寬度h和厚度b為變量繪制函數(shù)曲線，如圖6所示。由圖6可知，在方頭施加最大剪切強(qiáng)度[?]=141MPa時(shí)，方大寬度h的取值范圍為3～24㎜，方頭厚度b的取值范圍為8～24㎜。

圖6 方頭厚度對(duì)寬度的函數(shù)關(guān)系

將上述方頭寬度h和厚度b的計(jì)算結(jié)果輸入計(jì)算機(jī)，利用ANSYS軟件進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，在相同的扭矩作用下對(duì)比方頭的最大變形，變形越小強(qiáng)度越高，優(yōu)化結(jié)果顯示方頭寬度h取22㎜，厚度b取12㎜為最優(yōu)參數(shù)組合。

2.3 相位調(diào)節(jié)裝置設(shè)計(jì)

目前使用的轉(zhuǎn)盤(pán)出口傳動(dòng)軸無(wú)獨(dú)立的相位調(diào)節(jié)裝置，當(dāng)相位走位后，必須拆卸傳動(dòng)軸兩端的銷(xiāo)釘才能校正，校正后還需要重新配種銷(xiāo)釘，調(diào)試、安裝過(guò)程過(guò)于復(fù)雜?；谶@一現(xiàn)狀，改進(jìn)了傳動(dòng)軸的相位調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。該相位調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)采用圓筒圓柱頂絲結(jié)構(gòu)，當(dāng)相位發(fā)生改變時(shí)，只需松開(kāi)5個(gè)螺釘就能輕松調(diào)節(jié)相位，操作便捷，極大地降低了設(shè)備維修勞動(dòng)強(qiáng)度，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 相位調(diào)節(jié)裝置

3 應(yīng)用效果

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)改進(jìn)后傳動(dòng)軸的零件加工圖紙，制作傳動(dòng)軸零件，并進(jìn)行安裝、調(diào)試，見(jiàn)圖8。

圖8 傳動(dòng)軸安裝過(guò)程

3.2 數(shù)據(jù)分析

由表1可見(jiàn)，改進(jìn)后，傳動(dòng)軸的維修耗時(shí)從247min降到24min，維修效率提高了929.2%，大幅度提高了工作效率，降低了維修人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

表1 改進(jìn)前后拆裝傳動(dòng)軸耗時(shí)對(duì)比

由表2可見(jiàn)，改進(jìn)后，傳動(dòng)軸的使用壽命由89天提高到155天，使用壽命提高了74.2%。

表2 改進(jìn)前后傳動(dòng)軸使用壽命對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)設(shè)計(jì)獨(dú)立的相位調(diào)節(jié)裝置，改進(jìn)板式萬(wàn)向節(jié)結(jié)構(gòu)和方桿方套滑動(dòng)聯(lián)接方式，利用仿真分析軟件尋找傳動(dòng)軸的受力薄弱點(diǎn)并優(yōu)化方桿方套配合尺寸參數(shù)，對(duì)GDX1主機(jī)出口轉(zhuǎn)盤(pán)傳動(dòng)軸進(jìn)行了改進(jìn)，有效解決了現(xiàn)有傳動(dòng)軸拆裝困難、使用壽命低、過(guò)度依賴(lài)進(jìn)口的瓶頸。改進(jìn)后，傳動(dòng)軸的各個(gè)零部件均可獨(dú)立更換維修，極大地降低了維修成本和維修勞動(dòng)強(qiáng)度。對(duì)改進(jìn)后的傳動(dòng)軸進(jìn)行運(yùn)行測(cè)試，結(jié)果表明，改進(jìn)后出口轉(zhuǎn)盤(pán)傳動(dòng)軸的維修效率提高了929.2%，使用壽命至少提高了74.2%，極大地提高了維修效率，降低了設(shè)備維修勞動(dòng)強(qiáng)度和維修成本。