YB55 小盒透明紙包裝機(jī)煙包自動(dòng)整理輸送裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張 號(hào)，李守成，呂小波，梁 勇，胡志恒，黃 魁，楊 冬

1. 紅云紅河煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司曲靖卷煙廠，云南省曲靖市麒麟北路499 號(hào) 655001

2. 紅塔煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，云南省玉溪市紅塔區(qū)紅塔大道118 號(hào) 653100

YB55 卷煙小盒透明紙包裝機(jī)具有自動(dòng)化程度高、包裝效果好等特點(diǎn)，但由于生產(chǎn)速度較快（250包/min），透明紙包裝完成后輸出的小盒煙包存在排列混亂等問(wèn)題，需要人工對(duì)煙包進(jìn)行收集、整理、裝盤后再進(jìn)入下道工序。特別在生產(chǎn)細(xì)支煙［1-2］和中支煙［3］等規(guī)格卷煙時(shí)，由于產(chǎn)品質(zhì)量要求較高，需要配置大量工人整理煙包，增加生產(chǎn)成本，影響生產(chǎn)效率。近年來(lái)，針對(duì)YB55 包裝機(jī)已有較多研究及改進(jìn)，曾京威等［4］通過(guò)增加壓輪對(duì)入口煙包輸送通道進(jìn)行改進(jìn)，解決了煙支煙絲端空松或整體塌陷等問(wèn)題；蘇克健等［5］利用吸風(fēng)負(fù)壓將硬盒小包從提升裝置轉(zhuǎn)向輸送至同步輸送帶，解決了煙支空頭或縮頭等問(wèn)題；孟振偉等［6］研制一套透明紙自動(dòng)拼接裝置，實(shí)現(xiàn)了透明紙?jiān)谵D(zhuǎn)換過(guò)程中的自動(dòng)拼接功能；張明秋等［7］在透明紙輸送通道中增加負(fù)壓吸風(fēng)帶輸送裝置，解決了透明紙?jiān)谳斔瓦^(guò)程中產(chǎn)生的皺褶、堵塞、拉帶跑偏等問(wèn)題；戚金周等［8］采用圓柱形壓縮彈簧代替煙包活動(dòng)擋塊機(jī)構(gòu)的扭簧，解決了疊包提升時(shí)出現(xiàn)煙包透明紙折角不良、連包等問(wèn)題。但對(duì)于透明紙包裝后煙包整理裝置的設(shè)計(jì)及研究則鮮見(jiàn)報(bào)道。為此，基于YB55 小盒透明紙包裝機(jī)設(shè)計(jì)了一套煙包自動(dòng)整理輸送裝置，對(duì)透明紙包裝后煙包進(jìn)行整理后再由人工進(jìn)行裝盤，以期提高卷煙包裝設(shè)備生產(chǎn)效率。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)組成

煙包自動(dòng)整理輸送裝置主要由二級(jí)減速裝置、行星輪系［9］和法蘭盤組成，見(jiàn)圖1和圖2。其中，①二級(jí)減速裝置由一級(jí)齒輪Z1（9）和Z2（7）、二級(jí)齒輪Z3（5）和Z4（8）組成并安裝在箱體（4）內(nèi)。Z1安裝在主傳動(dòng)軸（11）上，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)；Z2 和Z3 均安裝在小齒輪軸（6）上，由齒輪Z1 帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)且與Z1 轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反；Z4通過(guò)滾針軸承（12）安裝在主傳動(dòng)軸上，由齒輪Z3帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)。②行星輪系由轉(zhuǎn)盤（2）、安裝在轉(zhuǎn)盤中的3 個(gè)齒輪［1 個(gè)太陽(yáng)輪Z5（18）和2 個(gè)行星輪Z6、Z7（17）］以及煙包推板（1）組成。轉(zhuǎn)盤與法蘭盤（3）聯(lián)接，通過(guò)齒輪Z4 帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)；太陽(yáng)輪Z5 安裝在主傳動(dòng)軸上，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)；行星輪Z6、Z7以及煙包推板安裝在行星軸（19）上，由太陽(yáng)輪帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)；行星軸與轉(zhuǎn)盤相對(duì)位置固定，煙包推板隨行星軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)保持垂直狀態(tài)。

圖1 煙包自動(dòng)整理輸送裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of automatic cigarette packet collating and conveying device

圖2 煙包自動(dòng)整理輸送裝置運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖Fig.2 Movement diagram of automatic cigarette packet collating and conveying device

1.2 行星輪系設(shè)計(jì)

將太陽(yáng)輪（Z5）和行星輪（Z6、Z7）均設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪，模數(shù)為2，齒數(shù)為28，壓力角α為20°，太陽(yáng)輪、行星輪、煙包推板以及轉(zhuǎn)盤的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系見(jiàn)圖3a。轉(zhuǎn)盤經(jīng)二級(jí)減速裝置控制后逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)；太陽(yáng)輪Z5 由電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速由電機(jī)控制；行星輪Z6 自轉(zhuǎn)（行星輪繞行星軸轉(zhuǎn)動(dòng)）角速度為0 以保證煙包推板一直保持垂直狀態(tài)，公轉(zhuǎn)（行星軸繞主傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)）角速度與轉(zhuǎn)盤相同，運(yùn)動(dòng)軌跡見(jiàn)圖3b。由行星輪運(yùn)動(dòng)軌跡可得，行星輪上任意一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡均為半徑為2R（R 為太陽(yáng)輪和行星輪半徑）的圓，見(jiàn)圖3b 中點(diǎn)C 軌跡。由于太陽(yáng)輪Z5 和行星輪Z6 相互嚙合并在嚙合點(diǎn)具有相同線速度，可得：

圖3 行星輪系運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of motion of planetary gear system

式中：vO6為行星軸公轉(zhuǎn)線速度，mm/min；vC6為行星輪上嚙合點(diǎn)的線速度，mm/min；vC5為太陽(yáng)輪上嚙合點(diǎn)的線速度，mm/min；n5為太陽(yáng)輪角速度（電機(jī)轉(zhuǎn)速），r/min；R為太陽(yáng)輪半徑，mm；n轉(zhuǎn)為轉(zhuǎn)盤角速度，r/min；n6為行星輪公轉(zhuǎn)角速度，r/min。

1.3 二級(jí)減速裝置設(shè)計(jì)

由公式（1）可得，轉(zhuǎn)盤角速度為太陽(yáng)輪角速度的1/2，采用二級(jí)減速裝置降低轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速，使電機(jī)與轉(zhuǎn)盤的傳動(dòng)比i=2，即可滿足設(shè)計(jì)要求。由圖4可得：

圖4 二級(jí)減速裝置輪系圖Fig.4 Gear system of two-stage speed reducer

式中：i 為電機(jī)與轉(zhuǎn)盤的傳動(dòng)比，無(wú)量綱；Z1、Z2、Z3、Z4分別為齒輪Z1、Z2、Z3、Z4的齒數(shù)，個(gè)。

齒輪Z1、Z2同樣采用模數(shù)為2、齒數(shù)為28個(gè)、壓力角α為20°的標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪。為滿足傳動(dòng)比i=2，齒輪Z3、Z4的齒數(shù)和中心距須滿足：

式中：a1為齒輪Z1、Z2 的中心距，mm；a2為齒輪Z3、Z4的中心距，mm；m為模數(shù)，無(wú)量綱。

由公式（3）可得齒輪Z3、Z4 中心距a2為56 mm，查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［10］可知，齒輪主要為磨損失效。因齒輪Z3 尺寸較小，齒數(shù)不宜過(guò)多，同時(shí)為避免齒輪出現(xiàn)根切現(xiàn)象，對(duì)于α=20°的標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪，齒數(shù)一般選17～20 個(gè)。在傳動(dòng)比i=2 和中心距a2=56 mm 的條件下，齒輪Z3 選擇模數(shù)為2、齒數(shù)為19 個(gè)、壓力角α=20°的標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪。由公式（3）可得齒輪Z4 的齒數(shù)為38 個(gè)，若選用標(biāo)準(zhǔn)齒輪，則齒輪Z3、Z4 的中心距a2為57 mm，無(wú)法滿足裝配要求，需要對(duì)齒輪Z4進(jìn)行正變位設(shè)計(jì)［11-13］。齒輪Z3、Z4的嚙合角為：

式中：α′為齒輪Z3、Z4 的嚙合角，（°）；α為標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪的壓力角，（°）。

根據(jù)無(wú)側(cè)隙嚙合方程，可得：

式中：x3、x4分別為齒輪Z3、Z4的變位系數(shù)，無(wú)量綱。

Z3為標(biāo)準(zhǔn)齒輪，其變位系數(shù)x3=0，計(jì)算得到齒輪Z4 的變位系數(shù)x4=0.464 6。因此，Z4 設(shè)計(jì)為模數(shù)為2、齒數(shù)為38 個(gè)、壓力角α為20°、變位系數(shù)為0.464 6的正變位齒輪。

1.4 設(shè)備安裝與控制

如圖5 所示，煙包自動(dòng)整理輸送裝置安裝在YB55包裝機(jī)出口后方的工作平臺(tái)上，通過(guò)一條向下傾斜的煙包輸送通道，煙包由包裝機(jī)出口輸送至工作平臺(tái)上的煙包輸送通道中。工作平臺(tái)上的煙包輸送通道設(shè)置有3個(gè)檢測(cè)點(diǎn)（圖5b），煙包到達(dá)檢測(cè)點(diǎn)3時(shí)被煙包推板由縱向排列整理為橫向排列后輸出，經(jīng)人工裝盤后進(jìn)入下道工序。

圖5 煙包自動(dòng)整理輸送裝置安裝位置和工作示意圖Fig.5 Installation position and working diagram of automatic cigarette packet collating and conveying device

采用S7-200 PLC（德國(guó)西門子公司）控制MM440交流電機(jī)變頻器（德國(guó)西門子公司），進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整理裝置的啟停和速度控制，見(jiàn)圖6。①啟?？刂?。檢測(cè)點(diǎn)3檢測(cè)到有煙包時(shí)，PLC對(duì)“電機(jī)使能”控制做“置位”處理，即打開(kāi)使能，關(guān)閉剎車，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，煙包推板隨轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)180°；檢測(cè)點(diǎn)3未檢測(cè)到煙包時(shí)，PLC對(duì)“電機(jī)使能”做“復(fù)位”處理，即關(guān)閉使能，打開(kāi)剎車，停止電機(jī)運(yùn)行。②速度控制。檢測(cè)點(diǎn)3與檢測(cè)點(diǎn)2之間有煙包堆疊時(shí)，煙包整理速度設(shè)置為100 包/min；檢測(cè)點(diǎn)2 與檢測(cè)點(diǎn)1 之間有煙包堆疊時(shí)，煙包整理速度調(diào)整為250 包/min；檢測(cè)點(diǎn)1 上游有煙包堆疊時(shí)，整理速度調(diào)整為300 包/min。3 種速度運(yùn)行模式自動(dòng)切換，從而實(shí)現(xiàn)煙包整理裝置與上游生產(chǎn)設(shè)備相匹配。

圖6 煙包自動(dòng)整理輸送裝置控制原理圖Fig.6 Control principle of automatic cigarette packet collating and conveying device

2 應(yīng)用效果

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

材料：“云煙（印象煙莊）”牌卷煙［紅云紅河煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司曲靖卷煙廠］。

設(shè)備：YB55 小盒透明紙包裝機(jī)（上海煙草機(jī)械有限責(zé)任公司）。

方法：YB55包裝機(jī)額定生產(chǎn)速度為250包/min，對(duì)采用煙包自動(dòng)整理輸送裝置前后的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，統(tǒng)計(jì)煙包產(chǎn)量、包裝機(jī)運(yùn)行時(shí)間、挑揀煙包人數(shù)以及煙包反向數(shù)量，并根據(jù)公式（6）～（8）計(jì)算包裝機(jī)實(shí)際生產(chǎn)速度、包裝機(jī)生產(chǎn)效率以及人工工作效能，統(tǒng)計(jì)周期為3個(gè)月。

2.2 數(shù)據(jù)分析

由表1 可見(jiàn)，采用煙包自動(dòng)整理輸送裝置后，煙包反向數(shù)量由1 051包/月減少至0，挑揀煙包人數(shù)由10人/班次減少至2人/班次（減少80%），人工工作效能由1 017包/（h·人）提升至6 450包/（h·人）；包裝機(jī)實(shí)際生產(chǎn)速度提高2 700 包/h，生產(chǎn)效率增加18.1 百分點(diǎn)。

表1 煙包自動(dòng)整理輸送裝置應(yīng)用前后包裝機(jī)生產(chǎn)數(shù)據(jù)①Tab.1 Production data before and after installation of automatic cigarette packet collating and conveying device

3 結(jié)論

基于YB55小盒透明紙包裝機(jī)，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)和行星輪技術(shù)設(shè)計(jì)了一種煙包自動(dòng)整理輸送裝置，在慣性作用下煙包由包裝機(jī)出口輸送至煙包輸送通道，經(jīng)檢測(cè)合格后的煙包被煙包推板由縱向排列整理為橫向排列后輸出，再由人工裝盤后進(jìn)入下道工序。以曲靖卷煙廠生產(chǎn)的“云煙（印象煙莊）”牌卷煙為對(duì)象對(duì)該裝置進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：采用煙包自動(dòng)整理輸送裝置后，生產(chǎn)中未出現(xiàn)煙包反向現(xiàn)象，煙包挑揀人數(shù)由10人/班次減少至2人/班次，人工工作效能顯著提升；包裝機(jī)實(shí)際生產(chǎn)速度提高2 700 包/h，生產(chǎn)效率提高18.1百分點(diǎn)。該裝置可在同類包裝機(jī)組中推廣應(yīng)用。