煙草機(jī)械送煙機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能測(cè)試

李昊凱

（許昌煙草機(jī)械有限責(zé)任公司，河南 許昌 461000）

過(guò)濾嘴香煙是目前煙草售賣的主要品種，將過(guò)濾嘴香煙規(guī)律排列成20支或10支是目前的主要包裝形式。但是，因?yàn)檫^(guò)濾嘴香煙本身無(wú)法承受較高載荷，如果包裝過(guò)程中產(chǎn)生的沖擊力較大，就會(huì)造成香煙損壞[1]。一旦出現(xiàn)這種情況，不僅會(huì)產(chǎn)生整盒包裝廢品率，還會(huì)使生產(chǎn)線包裝效率下降，嚴(yán)重時(shí)甚至可能引發(fā)停機(jī)[2]。所以提升煙草機(jī)械的包裝效率的關(guān)鍵是進(jìn)行合理的送煙機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[3]。該文以行星輪系為送煙機(jī)構(gòu)的機(jī)械設(shè)計(jì)框架，通過(guò)柔性設(shè)計(jì)盡可能減少送煙過(guò)程中的剛性沖進(jìn)，進(jìn)而提升包裝效率、降低包裝過(guò)程中可能出現(xiàn)的廢品率。

1 送煙機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)設(shè)計(jì)

1.1 行星輪系設(shè)計(jì)

該文設(shè)計(jì)的送煙機(jī)構(gòu)是以行星輪系為結(jié)構(gòu)主體的。這個(gè)行星輪系包括3個(gè)主要部件：第一個(gè)部件，行星輪；第二個(gè)部件，中間輪；第三個(gè)部件，底部輪。在這3個(gè)部件中，行星輪扮演著至關(guān)重要的作用。一方面，行星輪要收集來(lái)自上方煙庫(kù)的過(guò)濾嘴香煙。另一方面，行星輪需要把過(guò)濾嘴香煙交接到中間輪上。中間輪再將香煙傳遞給底部輪，底部輪將香煙送到包裝位進(jìn)行排列，做好包裝前的準(zhǔn)備工作。在這一系列的動(dòng)作中，行星輪的性能決定了送煙機(jī)構(gòu)的整體柔性，也決定了香煙包裝過(guò)程的柔性。

為了便于描述行星輪系的設(shè)計(jì)過(guò)程，該文分別用Z1表示中間輪、Z2表示行星輪、Z3表示內(nèi)齒圈。送煙機(jī)構(gòu)中的行星輪系要達(dá)到預(yù)定的工作性能，需要滿足以下原則。

第一個(gè)原則，行星輪系中構(gòu)成嚙合關(guān)系的齒輪對(duì)要有一致的中心距大小，如公式（1）所示。

第二個(gè)原則，行星輪系中構(gòu)成嚙合關(guān)系的齒輪對(duì)要便于裝配，如公式（2）所示。

式中：C為送煙機(jī)構(gòu)中行星輪的總數(shù)；N為裝配空間常數(shù)。

第三個(gè)原則，要確保不同的行星輪之間不能出現(xiàn)碰撞。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，只有間距超過(guò)模數(shù)值0.5倍以上或者更高的倍數(shù)，才能避免碰撞出現(xiàn)。

1.2 齒輪齒數(shù)設(shè)計(jì)

行星輪系中3個(gè)齒輪齒數(shù)的設(shè)計(jì)是否合理關(guān)系到送煙機(jī)構(gòu)能否正常工作。一方面，送煙過(guò)程要均勻適度，才能確保香煙整齊規(guī)律地排列在煙盒中，這就需要齒輪Z1的齒數(shù)是齒輪Z2齒數(shù)的整數(shù)倍。另一方面，從送煙機(jī)構(gòu)安裝的角度出發(fā)，行星輪系尺寸要適中，過(guò)大、過(guò)小都不適合安裝。從這兩點(diǎn)考慮出發(fā)，取齒輪Z1的齒數(shù)是齒輪Z2齒數(shù)的4倍。

在香煙傳送過(guò)程中，送煙機(jī)構(gòu)是通過(guò)吸附力保證香煙的位置控制的。如果行星輪的直徑過(guò)大，就會(huì)導(dǎo)致其邊緣傳動(dòng)速度增大，進(jìn)而差生大于吸附力的離心力，進(jìn)而使香煙脫離正確位置甚至掉落。從這一點(diǎn)考慮，行星輪系的尺寸不宜過(guò)大。

最終，該文設(shè)計(jì)出Z1為76齒，Z2為19齒，Z3為114齒。

1.3 行星輪個(gè)數(shù)設(shè)計(jì)

合理設(shè)計(jì)送煙機(jī)構(gòu)中的行星輪個(gè)數(shù)也是一項(xiàng)非常重要的工作。行星輪的個(gè)數(shù)太多，不僅會(huì)增加送煙機(jī)構(gòu)的自重，還會(huì)導(dǎo)致整個(gè)機(jī)構(gòu)失衡。行星輪的個(gè)數(shù)過(guò)少，行星輪系則不穩(wěn)定，且無(wú)法完成規(guī)定的動(dòng)作。

如果行星輪回轉(zhuǎn)中心O2的角速度為wH，Z1的角速度為w1，Z2的角速度為w3，那么這些參數(shù)之間形成的關(guān)系如公式（3）所示。

Z3表示的是內(nèi)齒圈，在行星輪系的工作過(guò)程中并不產(chǎn)生動(dòng)作，其角速度w3=0。將這個(gè)角速度值代入公式（3），可進(jìn)一步得到公式（4）。

又因?yàn)榇嬖?、Z3=Z1+2Z2、Z1=4Z2，所以有至此，可確定送煙機(jī)構(gòu)中行星輪的合理數(shù)量為

2 送煙機(jī)構(gòu)的仿真裝配

該文以行星輪系為主體方案設(shè)計(jì)出了送煙機(jī)構(gòu)，但其裝配過(guò)程比較煩瑣，需要通過(guò)仿真手段分析完成該裝配的可行性。

在行星輪系中，外嚙合和內(nèi)嚙合同時(shí)存在，再加上行星輪數(shù)目較多，如果裝配錯(cuò)誤，就會(huì)導(dǎo)致行星輪系無(wú)法按照預(yù)期的規(guī)則運(yùn)動(dòng)，也就無(wú)法保證準(zhǔn)確送煙和完成包裝。該文根據(jù)理論分析和裝配經(jīng)驗(yàn)，先對(duì)第一個(gè)行星輪進(jìn)行裝配，即實(shí)現(xiàn)該行星輪和內(nèi)齒圈、該行星輪和中間輪的裝配，然后再對(duì)第二、三、四、五個(gè)行星輪進(jìn)行裝配，裝配流程如下。

第一個(gè)環(huán)節(jié)，在三維建模和仿真軟件Pro/E平臺(tái)上確定軸架的初始位置，這個(gè)位置一定要在布局、視角等方面具有合理性，這是后續(xù)裝配過(guò)程的基礎(chǔ)。

第二個(gè)環(huán)節(jié)，在三維建模和仿真軟件Pro/E平臺(tái)上以軸架為基礎(chǔ)確定各個(gè)齒輪的回轉(zhuǎn)軸線位置。因?yàn)槭切行禽喯?，所以這些軸線應(yīng)該是平行的。從便于裝配的角度考慮，要避免這些軸線出現(xiàn)遮擋。

第三個(gè)環(huán)節(jié)，在三維建模和仿真軟件Pro/E平臺(tái)上確定內(nèi)齒圈、中間輪、第一個(gè)行星輪的約束，根據(jù)這些約束條件完成第一個(gè)行星輪的裝配。

第四個(gè)環(huán)節(jié)，重復(fù)上述3個(gè)環(huán)節(jié)，依次實(shí)現(xiàn)第二、第三、第四、第五個(gè)行星輪的安裝，進(jìn)而完成整個(gè)送煙機(jī)構(gòu)行星輪系的裝配，裝配結(jié)果如圖1所示。

圖1 送煙機(jī)構(gòu)行星輪系的仿真裝配

3 送煙機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性測(cè)試

為了驗(yàn)證該文設(shè)計(jì)的基于行星輪系的送煙機(jī)構(gòu)的合理性，尤其是其送煙過(guò)程中的柔性性能，接下來(lái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性測(cè)試。測(cè)試針對(duì)的是圖1中的仿真結(jié)果，并在三維建模和仿真軟件Pro/E平臺(tái)下的Mechanism單元中完成。

先設(shè)定測(cè)試環(huán)境和測(cè)試條件。因?yàn)樗蜔煓C(jī)構(gòu)自身并不配置動(dòng)力裝置，所以對(duì)其進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的控制時(shí)需要以伺服電機(jī)為動(dòng)力源，而三維建模和仿真軟件Pro/E平臺(tái)下即有伺服電機(jī)單元。關(guān)于送煙機(jī)構(gòu)的條件，設(shè)定其中心軸每回轉(zhuǎn)1周，可以完成120根香煙下放，底部包裝則正好完成6盒香煙的包裝。根據(jù)這些設(shè)定，可以推算出送煙機(jī)構(gòu)行星輪系中的中間輪的轉(zhuǎn)速為600度/秒，這也表明帶動(dòng)這個(gè)中間輪的伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速也應(yīng)該設(shè)定為600度/秒。

傳統(tǒng)送煙機(jī)構(gòu)之所以會(huì)存在一定比例的包裝破損、煙支折斷的現(xiàn)象，就是因?yàn)樗蜔熯^(guò)程中存在剛性沖擊。剛性沖擊是由瞬時(shí)所受的力極大甚至無(wú)限大導(dǎo)致的。該文采用的行星輪系結(jié)構(gòu)的送煙機(jī)構(gòu)就是要變剛性沖擊為柔性沖擊，所以接下來(lái)的動(dòng)態(tài)特性分析主要是測(cè)試送煙過(guò)程中加速度變化、力變化、力矩變化是否為柔性。

該文設(shè)計(jì)的送煙機(jī)構(gòu)送煙過(guò)程中的加速度變化曲線如圖2所示。

圖2 該文送煙機(jī)構(gòu)送煙過(guò)程中加速度的變化

圖2中，橫軸為送煙機(jī)構(gòu)的送煙時(shí)間，單位是s；縱軸為送煙過(guò)程中加速度的變化，單位是m/s2。從圖2可以看出，在行星輪系的作用下，送煙機(jī)構(gòu)在送煙過(guò)程中的加速度呈現(xiàn)出正弦曲線的變化。而沖擊力的變化和加速度成正比，沖擊力也將呈現(xiàn)正弦曲線變化。即使在速度變向的極端情況下，也不會(huì)產(chǎn)生大的沖擊力，確保了送煙過(guò)程中所受沖擊的柔性。

該文設(shè)計(jì)的送煙機(jī)構(gòu)送煙過(guò)程中的徑向力變化曲線如圖3所示。

圖3中，橫軸為送煙機(jī)構(gòu)的送煙時(shí)間，單位是s；縱軸為送煙過(guò)程中徑向沖擊力的變化，單位是N。從圖3可以看出，在行星輪系的作用下，送煙機(jī)構(gòu)送煙過(guò)程中的徑向沖擊力也呈現(xiàn)出正弦曲線的變化，沖擊為柔性。

圖3 該文送煙機(jī)構(gòu)送煙過(guò)程中徑向沖擊力的變化

該文設(shè)計(jì)的送煙機(jī)構(gòu)送煙過(guò)程中的徑向力矩變化曲線如圖4所示。

圖4中，橫軸為送煙機(jī)構(gòu)的送煙時(shí)間，單位是s；縱軸為送煙過(guò)程中徑向沖擊力矩的變化，單位是N·m。從圖4可以看出，在行星輪系的作用下，送煙機(jī)構(gòu)送煙過(guò)程中的徑向沖擊力矩也呈現(xiàn)出正弦曲線的變化，沖擊為柔性。

圖4 該文送煙機(jī)構(gòu)送煙過(guò)程中徑向沖擊力矩的變化

為了進(jìn)一步明確該文所設(shè)計(jì)的送煙機(jī)構(gòu)的合理性，將其和連桿送煙機(jī)構(gòu)、凸輪送煙機(jī)構(gòu)完成100盒包裝的煙支破損率進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表1。

從表1中的結(jié)果可以看出，對(duì)10種類型的香煙進(jìn)行包裝，該文送煙機(jī)構(gòu)的包裝破損率大大低于另外兩種送煙機(jī)構(gòu)。

表1 3種送煙機(jī)構(gòu)形成包裝后的煙支破損率

4 結(jié)論

煙草包裝中的主要問(wèn)題是送煙機(jī)構(gòu)的沖擊力過(guò)大，容易造成煙支折斷、破損，甚至?xí)?dǎo)致包裝失效和包裝過(guò)程停機(jī)。為了將包裝過(guò)程中的剛性沖擊轉(zhuǎn)變?yōu)槿嵝詻_擊，該文采用行星輪系設(shè)計(jì)出一種柔性的送煙機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)包括行星輪、中間輪和內(nèi)齒圈。并在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采用ProE進(jìn)行了三維建模和裝配。最后進(jìn)行了兩組試驗(yàn)，對(duì)該文設(shè)計(jì)的送煙機(jī)構(gòu)進(jìn)行性能測(cè)試。第一組試驗(yàn)測(cè)試了包裝過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性，加速度曲線、徑向力曲線、徑向力矩曲線都表現(xiàn)為正弦曲線，沖擊是柔性的。第二組試驗(yàn)測(cè)試了該文送煙機(jī)構(gòu)和連桿送煙機(jī)構(gòu)、凸輪送煙機(jī)構(gòu)完成包裝的破損率，結(jié)果顯示該文設(shè)計(jì)的送煙機(jī)構(gòu)完成包裝的破損率大大低于另外兩種機(jī)構(gòu)，優(yōu)勢(shì)十分明顯。