杜坤艷，康 瑛，孫 斌，程衛(wèi)民，張穎靚

中煙機(jī)械技術(shù)中心有限責(zé)任公司，上海市浦東新區(qū)金海路1000 號(hào) 201206

PROTOS2-2 卷接機(jī)組是德國(guó)HAUNI 公司生產(chǎn)的超高速卷接設(shè)備，生產(chǎn)能力16 000 支/min，具有自動(dòng)化程度高、運(yùn)行穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，在卷煙生產(chǎn)企業(yè)得到廣泛應(yīng)用。煙條分離輪是PROTOS2-2機(jī)組的關(guān)鍵部件之一，其作用是將被分切成兩段的煙條在軸向上分離，并在分開(kāi)的煙條中加入一段雙倍長(zhǎng)濾嘴段[1]。實(shí)際生產(chǎn)中煙條分離輪通過(guò)凸輪控制內(nèi)、外排煙條的移動(dòng)，當(dāng)煙支濾嘴長(zhǎng)度規(guī)格變化時(shí)需要更換相應(yīng)規(guī)格的凸輪，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，影響生產(chǎn)效率。近年來(lái)隨著煙草行業(yè)柔性化生產(chǎn)要求越來(lái)越高，針對(duì)PROTOS2-2 已進(jìn)行了大量研究和改進(jìn)。程衛(wèi)民等[2]改進(jìn)了超高速型卷接機(jī)組的調(diào)頭輪，并采用獨(dú)立伺服電機(jī)代替齒輪傳動(dòng)，減小了傳動(dòng)系統(tǒng)磨損，降低了設(shè)備運(yùn)行噪聲；龔佳偉等[3]設(shè)計(jì)了超高速卷接機(jī)組濾嘴接裝機(jī)鼓輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，為國(guó)產(chǎn)卷煙機(jī)鼓輪全伺服化提供了理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)；杜坤艷等[4]研究了利用傅里葉級(jí)數(shù)設(shè)計(jì)煙支分離輪凸輪的方法；潘恒樂(lè)等[5]改進(jìn)了PROTOS2-2 的循環(huán)風(fēng)機(jī)，降低了流化床的空氣溫度；劉為剛等[6]研制了一種搓接鼓輪自動(dòng)清潔裝置，減少了設(shè)備停機(jī)次數(shù)，提高了設(shè)備運(yùn)行效率；王永峰等[7]改進(jìn)了磨刀裝置，提高了煙支濾嘴切口質(zhì)量；孫斌等[8]設(shè)計(jì)了一種接裝紙噴膠裝置，提高了接裝紙上膠質(zhì)量；童斌等[9]設(shè)計(jì)了ZJ116 卷接機(jī)組煙條分離輪專(zhuān)用工裝，提高了裝配效率；陳嘯[10]對(duì)一種無(wú)凸輪分離輪的工作原理進(jìn)行了分析。但對(duì)于PROTOS2-2 煙條分離輪的改進(jìn)設(shè)計(jì)則鮮見(jiàn)報(bào)道。為此，在不改變卷接機(jī)組結(jié)構(gòu)的前提下，對(duì)PROTOS2-2 煙條分離輪進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，以期實(shí)現(xiàn)煙支濾嘴長(zhǎng)度規(guī)格的快速更換，節(jié)約生產(chǎn)時(shí)間，提高工作效率。

1 問(wèn)題分析

PROTOS2-2 機(jī)組煙條分離輪是在內(nèi)部設(shè)置兩個(gè)端面凸輪，分別控制內(nèi)、外排煙條的移動(dòng)，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。內(nèi)凸輪1 通過(guò)推桿驅(qū)動(dòng)外排滑座4，外凸輪2 通過(guò)推桿驅(qū)動(dòng)內(nèi)排滑座3。實(shí)際應(yīng)用表明，這種類(lèi)型的鼓輪其內(nèi)部凸輪需要潤(rùn)滑油進(jìn)行潤(rùn)滑，存在漏油風(fēng)險(xiǎn)，容易造成煙條污染，甚至出現(xiàn)因潤(rùn)滑效果不佳導(dǎo)致凸輪燒壞等現(xiàn)象，設(shè)備維護(hù)難度較大。此外，現(xiàn)有濾嘴接裝機(jī)的煙條分離輪只適用于生產(chǎn)單一規(guī)格濾嘴卷煙，當(dāng)需要生產(chǎn)不同規(guī)格濾嘴（比如長(zhǎng)度不同）卷煙時(shí)，則必須更換相應(yīng)規(guī)格的凸輪，影響生產(chǎn)效率。因此，設(shè)計(jì)一種不需要更換零件即可實(shí)現(xiàn)煙支濾嘴長(zhǎng)度規(guī)格快速調(diào)整的煙條分離輪是本研究中的關(guān)鍵。

圖1 改進(jìn)前PROTOS2-2 機(jī)組煙條分離輪結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of tobacco rod separating drum in PROTOS2-2 cigarette maker before modification

2 設(shè)計(jì)方法

2.1 改進(jìn)后煙條分離輪結(jié)構(gòu)

改進(jìn)后煙條分離輪主要由擺動(dòng)盤(pán)、內(nèi)外排滑塊、約束滑塊、調(diào)整機(jī)構(gòu)等部分組成，見(jiàn)圖2a。由于煙條分離輪左右對(duì)稱，圖2a 中只標(biāo)出了部分外排零件。改進(jìn)后煙條分離輪沿圓周均勻分布12 個(gè)外排滑塊4，每個(gè)滑塊上均設(shè)置2 個(gè)煙槽，煙槽之間的周節(jié)距為12π，與PROTOS2-2 原結(jié)構(gòu)保持一致。連桿3 兩端通過(guò)關(guān)節(jié)軸承連接滑塊底部與擺動(dòng)盤(pán)15 外圈，當(dāng)驅(qū)動(dòng)軸帶動(dòng)分離輪輪體旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于擺動(dòng)盤(pán)15 傾斜一定角度，旋轉(zhuǎn)的擺動(dòng)盤(pán)帶動(dòng)滑塊沿兩根導(dǎo)桿做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。為保證滑塊與擺動(dòng)盤(pán)外圈在圓周方向上相對(duì)位置保持穩(wěn)定，內(nèi)外排滑塊4、5 需要在同一根導(dǎo)桿上分別設(shè)置一個(gè)約束滑塊2，約束滑塊2 同樣通過(guò)關(guān)節(jié)軸承與擺動(dòng)盤(pán)外圈連接。

圖2b 可見(jiàn)，在鼓輪內(nèi)部旋轉(zhuǎn)軸方向上對(duì)稱設(shè)置兩個(gè)擺動(dòng)盤(pán)9、15，擺動(dòng)盤(pán)內(nèi)圈10、14 的上端通過(guò)鉸鏈固定在機(jī)架上，下端分別設(shè)置內(nèi)外排調(diào)整機(jī)構(gòu)11、13，擺動(dòng)盤(pán)外圈8、16 分別通過(guò)連桿3、6 與內(nèi)外排滑塊連接，擺動(dòng)盤(pán)外圈可以繞內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)。內(nèi)排調(diào)整機(jī)構(gòu)11 由構(gòu)件a 和構(gòu)件b 組成，構(gòu)件a 與構(gòu)件b 構(gòu)成移動(dòng)副；外排調(diào)整機(jī)構(gòu)13 由構(gòu)件c 和構(gòu)件d 組成，構(gòu)件c 與構(gòu)件d 構(gòu)成移動(dòng)副。構(gòu)件a 和構(gòu)件c 具有旋轉(zhuǎn)方向相反的螺紋，構(gòu)件b 和構(gòu)件d分別與擺動(dòng)盤(pán)內(nèi)圈10、14 構(gòu)成回轉(zhuǎn)副。調(diào)整絲桿12 兩端具有旋轉(zhuǎn)方向相反的螺紋，與機(jī)架構(gòu)成回轉(zhuǎn)副，并分別與構(gòu)件a 和構(gòu)件c 構(gòu)成螺旋副。約束滑塊2、7 分別與導(dǎo)桿1 構(gòu)成圓柱副，約束擺動(dòng)盤(pán)外圈與內(nèi)外排滑塊4、5 在圓周方向上的相對(duì)位置。當(dāng)鼓輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，導(dǎo)桿1 帶動(dòng)擺動(dòng)盤(pán)外圈旋轉(zhuǎn)，外圈通過(guò)連桿帶動(dòng)內(nèi)外排滑塊4、5 沿導(dǎo)桿1 做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使吸附于內(nèi)排滑座及外排滑座上且對(duì)齊的兩列煙條在軸向上分離并形成一定距離。

圖2 改進(jìn)后煙條分離輪結(jié)構(gòu)和工作原理圖Fig.2 Structure and working principle of modified tobacco rod separating drum

2.2 分離行程快速調(diào)整方法

當(dāng)濾嘴長(zhǎng)度發(fā)生變化時(shí)，必須對(duì)內(nèi)外排滑塊4、5 的分離行程進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)旋轉(zhuǎn)調(diào)整絲桿12時(shí)，由于調(diào)整絲桿分別與構(gòu)件a 和構(gòu)件c 構(gòu)成螺旋副，構(gòu)件a 會(huì)有沿調(diào)整絲桿12 軸向往外或者往內(nèi)移動(dòng)的趨勢(shì)。此外，由于構(gòu)件a 與構(gòu)件b、構(gòu)件c 與構(gòu)件d 構(gòu)成移動(dòng)副，構(gòu)件b 和構(gòu)件d 分別與擺動(dòng)盤(pán)內(nèi)圈10、14 構(gòu)成回轉(zhuǎn)副，這種移動(dòng)趨勢(shì)會(huì)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)副轉(zhuǎn)動(dòng)，確保構(gòu)件a 和構(gòu)件c 同時(shí)滿足螺旋副與移動(dòng)副的運(yùn)動(dòng)要求，進(jìn)而帶動(dòng)整個(gè)擺動(dòng)盤(pán)產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)分離行程的快速調(diào)整。

2.3 擺動(dòng)盤(pán)

改進(jìn)后煙條分離輪的核心部件是左右對(duì)稱布置的擺動(dòng)盤(pán)，其作用是帶動(dòng)滑塊沿導(dǎo)桿做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，所以運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)擺動(dòng)盤(pán)內(nèi)部的軸承承受雙向軸向載荷。研究發(fā)現(xiàn)，雙列角接觸球軸承可承受雙向軸向載荷，但是體積較大，因分離輪內(nèi)部空間有限，故無(wú)法采用雙列角接觸球軸承。四點(diǎn)角接觸球軸承是徑向單列角接觸球軸承，其滾道主要用來(lái)支撐作用于兩個(gè)方向上的軸向載荷和徑向載荷；四點(diǎn)角接觸球軸承為分離式設(shè)計(jì)，即帶有滾球和保持架組件的外圈可分別安裝在兩個(gè)內(nèi)圈半環(huán)上，與雙列角接觸球軸承相比，四點(diǎn)角接觸球軸承占用空間較小。分析可見(jiàn)，采用四點(diǎn)角接觸球軸承可以滿足分離輪的運(yùn)動(dòng)條件和空間布局要求。根據(jù)分離輪的整體結(jié)構(gòu)尺寸，選用型號(hào)為L(zhǎng)18SG600.2RSD 的FAG 四點(diǎn)角接觸球軸承，內(nèi)徑d=152.4 mm，外徑D=171.45 mm，寬度B=12.7 mm。

擺動(dòng)盤(pán)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。固定件1、旋轉(zhuǎn)件2 和軸3構(gòu)成一個(gè)鉸鏈機(jī)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)件2 可沿軸3 繞固定件1旋轉(zhuǎn)。固定件1 固定在配氣座上，擺動(dòng)盤(pán)內(nèi)圈6 上端固定在旋轉(zhuǎn)件2 上；擺動(dòng)盤(pán)內(nèi)圈6 下端固定在外排調(diào)整機(jī)構(gòu)9 上。調(diào)整絲桿10 兩端帶有反向螺紋，分別與外排調(diào)整機(jī)構(gòu)9 和內(nèi)排調(diào)整機(jī)構(gòu)的螺紋連接。

調(diào)整機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。支架3 通過(guò)螺釘固定在擺動(dòng)盤(pán)內(nèi)圈上，活動(dòng)件1 既可以沿導(dǎo)向軸2 進(jìn)行平面平移，也可以與導(dǎo)向軸2 一起旋轉(zhuǎn)，且活動(dòng)件1 上的螺紋與調(diào)整絲桿連接。當(dāng)需要改變?yōu)V嘴長(zhǎng)度規(guī)格時(shí)，只需旋轉(zhuǎn)調(diào)整絲桿，活動(dòng)件1 即可沿調(diào)整絲桿外移或者內(nèi)移，同時(shí)圖3 中的旋轉(zhuǎn)件2 繞軸3 旋轉(zhuǎn)，擺動(dòng)盤(pán)外圈則帶動(dòng)滑塊沿導(dǎo)桿軸向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)分離行程的快速調(diào)整。

圖3 擺動(dòng)盤(pán)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of swing plate

圖4 調(diào)整機(jī)構(gòu)分解圖Fig.4 Decomposition chart of adjustment mechanism

2.4 主要尺寸關(guān)系

圖5 改進(jìn)后煙條分離輪主要尺寸關(guān)系Fig.5 Main dimension relationships of modified tobacco rod separating drum

改進(jìn)后煙條分離輪主要尺寸關(guān)系見(jiàn)圖5。以中心面與墻板的距離A=230 mm 為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，滑塊運(yùn)動(dòng)空間長(zhǎng)度B、滑塊最大分離行程C 和滑塊長(zhǎng)度D 必須滿足B ＞C+2×D ，為使分離行程最大化，在保證機(jī)構(gòu)不干涉的前提下應(yīng)盡量減小E。根據(jù)分離輪內(nèi)部空間要求，連接滑塊和擺動(dòng)盤(pán)的關(guān)節(jié)軸承型號(hào)為GE6E，內(nèi)徑d=6 mm，外徑D=14 mm，厚度B=6 mm，額定傾角a=13°。為保證分離輪正常運(yùn)轉(zhuǎn)，關(guān)節(jié)軸承的傾角必須小于13°。

采用三維軟件CREO 建模并進(jìn)行仿真，根據(jù)上述關(guān)系選取最優(yōu)尺寸值，得到擺動(dòng)盤(pán)偏轉(zhuǎn)角度θ與滑塊分離行程D 及上下端關(guān)節(jié)軸承傾角的關(guān)系，見(jiàn)表1。運(yùn)用MATLAB 對(duì)擺動(dòng)盤(pán)偏轉(zhuǎn)角度θ和滑塊分離行程進(jìn)行線性擬合，可得D=6.65×θ+3.6，即擺動(dòng)盤(pán)每偏轉(zhuǎn)1°，滑塊的分離行程改變6.65 mm。由表1 可知，當(dāng)擺動(dòng)盤(pán)偏轉(zhuǎn)角度θ為極限值13°時(shí)，下端關(guān)節(jié)軸承傾角為12.72°，小于額定傾角；上端關(guān)節(jié)軸承傾角為13.33°，大于額定傾角。為保證分離輪正常運(yùn)轉(zhuǎn)，擺動(dòng)盤(pán)最大偏轉(zhuǎn)角度設(shè)定為12°，此時(shí)上下端關(guān)節(jié)軸承的傾角均在額定范圍內(nèi)，此時(shí)分離輪的分離行程為83.6 mm。

表1 擺動(dòng)盤(pán)偏轉(zhuǎn)角度與滑塊分離行程及上下端關(guān)節(jié)軸承傾角的關(guān)系Tab.1 Relationships of deflection angle of swing plate with separating stroke of slide blocks and inclination angles of top and bottom joint bearings

3 應(yīng)用效果

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

材料：濾嘴長(zhǎng)度25 mm 卷煙（常德煙草機(jī)械設(shè)備有限責(zé)任公司提供）。

設(shè)備：ZJ116A 卷接機(jī)組（PROTOS2-2 國(guó)產(chǎn)型號(hào)，常德煙草機(jī)械設(shè)備有限責(zé)任公司）。

測(cè)試方法：將改進(jìn)后的煙條分離輪在ZJ116A卷接機(jī)組上進(jìn)行測(cè)試。①靜態(tài)測(cè)試。用5 mm 內(nèi)六角扳手旋轉(zhuǎn)調(diào)整絲桿，記錄最大分離行程；②卷接機(jī)組空載測(cè)試。分別設(shè)置分離輪分離行程為36，56 和76 mm，機(jī)組運(yùn)行速度為14 000 支/min，運(yùn)行時(shí)間不低于45 min，對(duì)機(jī)構(gòu)干涉、噪聲等情況進(jìn)行測(cè)試。

3.2 數(shù)據(jù)分析

靜態(tài)測(cè)試結(jié)果表明，改進(jìn)后煙條分離輪能夠?qū)崿F(xiàn)分離行程的快速調(diào)整，最大分離行程為83.6 mm，能夠滿足目前國(guó)內(nèi)大部分卷煙品牌（常規(guī)濾嘴長(zhǎng)度為25 mm，一般不超過(guò)35 mm）的生產(chǎn)需求?？蛰d測(cè)試結(jié)果（表2）表明，3 種分離行程的測(cè)試值與設(shè)定值誤差均＜0.3%，且改進(jìn)后分離輪運(yùn)行平穩(wěn)、無(wú)撞擊，噪聲＜85 dB（A），符合GB/T 50087—2013[11]工業(yè)企業(yè)噪聲控制設(shè)計(jì)規(guī)范要求。生產(chǎn)的煙條外觀無(wú)褶皺、無(wú)擠壓，符合GB 5606.3—2005[12]工藝規(guī)范要求。

表2 煙條分離輪分離行程測(cè)試結(jié)果Tab.2 Test results of separating stroke of tobacco rod separating drum

4 結(jié)論

采用擺動(dòng)盤(pán)技術(shù)設(shè)計(jì)的煙條分離輪不再采用凸輪機(jī)構(gòu)，通過(guò)相對(duì)于分離中心面對(duì)稱設(shè)置于輪體內(nèi)部的擺動(dòng)盤(pán)來(lái)控制滑塊的分離行程，在不改變卷接機(jī)組結(jié)構(gòu)的前提下，實(shí)現(xiàn)了煙支濾嘴長(zhǎng)度規(guī)格的快速調(diào)整，有效減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率。以ZJ116A 卷接機(jī)組為對(duì)象進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：煙條分離輪最大分離行程為83.6 mm，能夠滿足國(guó)內(nèi)卷煙企業(yè)的生產(chǎn)需求；在14 000 支/min 運(yùn)行速度下生產(chǎn)濾嘴長(zhǎng)度25 mm 卷煙時(shí)，3 種分離行程的測(cè)試值與設(shè)定值誤差均＜0.3%，分離輪運(yùn)行平穩(wěn)、噪聲低，生產(chǎn)的煙條外觀無(wú)褶皺、無(wú)擠壓，符合工藝規(guī)范要求。該技術(shù)同樣適用于PROTOS 90E、1-8 等使用凸輪機(jī)構(gòu)的卷接機(jī)組，以提升設(shè)備智能化、柔性化水平。