吳功柱

（上海煙草機械有限責任公司，上海 201206）

一種香煙包裝機折疊轉(zhuǎn)塔板的優(yōu)化設計

吳功柱

（上海煙草機械有限責任公司，上海 201206）

本文通過轉(zhuǎn)動慣量的計算原理，優(yōu)化設計折疊轉(zhuǎn)塔板的結(jié)構，減少轉(zhuǎn)動慣量，從而滿足實用需求。

折疊轉(zhuǎn)塔 轉(zhuǎn)動慣量 結(jié)構設計

在FOCKE香煙包裝機中，折疊轉(zhuǎn)塔是小盒煙包包裝的重要部分。它有8個工位，如圖1所示。通過弧面分度凸輪驅(qū)動折疊轉(zhuǎn)塔板做間隙旋轉(zhuǎn)運動，在不同的工位上進行商標紙的折疊，完成小盒煙包的折疊。由于在商標紙折疊的過程中，商標紙僅僅依靠模盒進行固定，使其在高速裝動包裝的過程位置發(fā)生了變化，從而影響香煙的包裝質(zhì)量。因此，在折疊轉(zhuǎn)塔板上增加吸風裝置，保證商標紙在折疊轉(zhuǎn)塔的包裝過程中固定位置［1-3］。

圖1 折疊轉(zhuǎn)塔板

改進設計的煙包折疊轉(zhuǎn)塔板，如圖2所示。設計中正面沒有改變，而在折疊轉(zhuǎn)塔板背面增加了氣孔，即原來斜凹面槽中增加了16個筋。經(jīng)實物機器上測試后發(fā)現(xiàn)，圖中的螺釘發(fā)生了彎曲現(xiàn)象。由此可見，轉(zhuǎn)塔板在間隙轉(zhuǎn)動過程中，產(chǎn)生了巨大的沖擊扭矩。究其原因，在于質(zhì)量增加和質(zhì)量分布發(fā)現(xiàn)了變化，促使改進設計的折疊轉(zhuǎn)塔板的轉(zhuǎn)動慣量大大增加?，F(xiàn)要滿足裝配需求，而螺釘在有限的空間位置無法改變其大小，因而需對折疊轉(zhuǎn)塔板進行優(yōu)化設計，使其轉(zhuǎn)動慣量符合螺釘?shù)脑S用應力。

圖2 改進設計折疊轉(zhuǎn)塔板

1 折疊轉(zhuǎn)塔板轉(zhuǎn)動慣量的影響因素

1.1 轉(zhuǎn)動慣量的計算方法

轉(zhuǎn)動慣量J是指定軸轉(zhuǎn)動時的慣性大??；而慣性張量I是指定點轉(zhuǎn)動時的慣性大小。其次，當轉(zhuǎn)軸取定后，轉(zhuǎn)動慣量是一個常數(shù)；而當剛體轉(zhuǎn)動的定點取定時，由于通過該點可以建立許多坐標系，所以慣性張量的分量還與所取的坐標系有關。慣性張量在某點取定的坐標系上各分量的大小是一定的，但在同一點的不同坐標系上各分量的相應值不同，但它們滿足張量的變換關系?？梢宰C明，在有的坐標系中，慣性張量I的表示較簡單，只有對角元素，這時的坐標軸稱為慣性主軸。另外，轉(zhuǎn)動慣量J是一常數(shù)，動量矩的方向與角速度的方向一致；而慣性張量I是二階張量，動量矩的方向一般與角速度的方向不一致。由于定點轉(zhuǎn)動包括了瞬時定軸轉(zhuǎn)動，因此它與轉(zhuǎn)動慣量J有一定的內(nèi)在聯(lián)系，可以由慣性張量求得轉(zhuǎn)動慣量，而轉(zhuǎn)動慣量就是Izz，即慣量張量沿轉(zhuǎn)軸z方向的主值［4-7］。

1.1 .1 矩陣表示

對于三維空間中任意一參考點K，與以此參考點為原點的直角坐標系Kxyz，一個剛體的慣性張量I可以表示為3×3矩陣。這里，矩陣的對角元素Ixx、Iyy、Izz分別為對于x軸、y軸、z軸的轉(zhuǎn)動慣量。

1.1 .2 轉(zhuǎn)動慣量方程

設定（x，y，z）為微小質(zhì)量dm對于點K的相對位置，則這些轉(zhuǎn)動慣量以方程式定義為：

1.1 .3 慣量積方程

矩陣的非對角元素，稱為慣性積，以方程式定義為（在計算中通常將慣性積取負值）：

1.2 轉(zhuǎn)動慣量的影響因子

根據(jù)上述計算公式，影響轉(zhuǎn)動慣量的主要因子為總體質(zhì)量大小及其分布。因此，此次優(yōu)化設計的主要方向為減輕重量，及在不影響使用的前提下合理進行結(jié)構設計，優(yōu)化質(zhì)量分布。

1.3 折疊轉(zhuǎn)塔板的轉(zhuǎn)動慣量計算

根據(jù)前文提到的計算方法，在此利用PRO/E軟件中的質(zhì)量屬性模塊建模，分別可得其質(zhì)量及慣性張量。如圖3所示，為改進設計的折疊轉(zhuǎn)塔板的質(zhì)量屬性圖?？梢钥闯?，它的質(zhì)量約為9.31kg。

2 折疊轉(zhuǎn)塔板的優(yōu)化設計方案研究

根據(jù)前文敘述轉(zhuǎn)動慣量的影響要素對折疊轉(zhuǎn)塔板進行分析發(fā)現(xiàn)，主要影響因素為質(zhì)量增加及分布。針對這兩個要素對折疊轉(zhuǎn)塔上的非功能結(jié)構進行優(yōu)化設計，具體方案如下。

圖3 改進折疊轉(zhuǎn)塔質(zhì)量屬性

2.1 方案1

對折疊轉(zhuǎn)塔板進行去重挖槽設計。為保證其工作強度，在離邊緣一定距離處進行挖槽，大小直徑分別為400mm、200mm，并保證板的最低厚度為5mm，如圖4所示。

2.2 方案2

設計如圖5所示，將原來的斜凹面設計為階梯槽，且距離中心越遠，槽深度越大，保證板厚6mm，上階梯面板厚11mm，階梯處直徑為350mm。

圖4 方案2的設計模型圖

圖5 方案2的設計模型圖

3 結(jié)果分析

根據(jù)設計方案對模型進行質(zhì)量屬性分析，測量結(jié)果如表1所示。由表1可以看出，方案1的質(zhì)量最小，但其轉(zhuǎn)動慣量無明顯減少；方案2質(zhì)量較方案1略多，但其轉(zhuǎn)動慣量減少明顯，故采用方案2設計方案。

4 實驗驗證及結(jié)論

為了測試優(yōu)化設計效果，驗證方案2設計的折疊轉(zhuǎn)塔板對螺釘?shù)臎_擊是否在器承受范圍內(nèi)，現(xiàn)場搭建了如圖6所示的實驗平臺。在平臺上安裝折疊轉(zhuǎn)塔板實際工作情況下所涉及的零部件，然后在電機的驅(qū)動下做間隙運動。實驗表明，螺釘無歪曲現(xiàn)象，故此優(yōu)化方案合理實用。

表1 優(yōu)化結(jié)果分析

圖6 實驗平臺

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Optimized Design of Folding Turnplate for a Cigarette Packaging Machine

WU Gongzhu
(Shanghai Tobacco Machinery Co., Ltd., Shanghai 201206)

In this paper, the principle of rotating inertia is used to optimize the structure of the folding turret to reduce the moment of inertia, so as to meet the practical needs.

folding turret, moment of inertia, structural design