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GDX1 包裝機組煙包輸出轉盤變速系統(tǒng)的改進

2019-09-19 02:04:24李正偉李功勛關宏量
煙草科技 2019年8期
關鍵詞:煙包銷軸連桿

李正偉,李功勛,關宏量

1. 深圳煙草工業(yè)有限責任公司,廣東省深圳市龍華新區(qū)清寧路2 號 518109

2. 武漢重型機床集團有限公司,武漢市東湖新技術開發(fā)區(qū)佛祖嶺一路3 號 430000

GDX1 包裝機組是我國早期從意大利GD 公司引進的卷煙包裝設備,最大生產(chǎn)速度400 包/min,是國內卷煙生產(chǎn)企業(yè)的主流機型。小盒煙包(簡稱煙包)輸出轉盤是X1 軟盒包裝機的重要組成部分,而變速系統(tǒng)是保障煙包輸出速度的核心元件,其運轉可靠性對于提升煙包質量和降低設備故障率具有關鍵作用。但在實際生產(chǎn)中煙包輸出轉盤變速系統(tǒng)的故障率較高,主要表現(xiàn)為銷軸磨損和偏心軸磨損等。近年來對GDX1 包裝機組已進行了大量技術改造,孫靖倚[1]和張瑋[2]對商標紙上膠機構的膠輥及膠輥軸進行了優(yōu)化改進,提升了上膠穩(wěn)定性;劉賀陽等[3]采用可編程自動控制技術設計了鋁箔紙自動拼接系統(tǒng),解決了手動拼接操作復雜、勞動強度大等問題;周國良等[4]采用氣環(huán)隔離結構對往復直動軸密封裝置進行了改進,解決了往復直動軸的滲油問題;鄧永祥等[5]采用齒形吸風帶嚙合傳動技術進行商標紙輸送,解決了加厚商標紙在輸送中存在的歪斜或輸送不到位等問題。但對于煙包輸出轉盤變速系統(tǒng)的改進則鮮見報道。為此,通過分析變速原理及其運動特性,對該變速系統(tǒng)進行改進,旨在降低設備故障率,提高包裝機組運行效率。

1 問題分析

1.1 變速原理

煙包輸出轉盤主要用于輸送煙包,由中心軸、太陽輪、行星輪、行星輪支架、變速盤、推煙轉盤等部件組成[6],見圖1。其中,太陽輪、行星輪、行星輪支架、偏心軸、連桿和變速盤等組成煙包輸出轉盤的變速系統(tǒng),作用是將中心軸轉速由恒速改為變速,實現(xiàn)由慢速到加速輸送煙包的目的。推煙轉盤和推煙板組成推煙執(zhí)行機構,用于煙包的獲取和輸送。鋼球、彈簧、鋼珠盤和調節(jié)輪組成鋼球過載保護器,當通道發(fā)生撞煙故障時進行過載保護,避免零件損壞。

圖1 改進前煙包輸出轉盤變速系統(tǒng)結構圖Fig.1 Structure of variable-speed system of cigarette packet discharger turret before modification

實際生產(chǎn)中,太陽輪固定在機架上不動,中心軸帶動行星輪支架旋轉,行星輪安裝在行星輪支架上并與太陽輪嚙合,在中心軸的驅動下,行星輪繞著太陽輪公轉的同時繞其中心軸自轉。偏心軸安裝在行星輪的中心,在行星輪的驅動下轉動。變速盤與中心軸同心,其與偏心軸中間采用連桿進行連接,在偏心軸的驅動下,變速盤繞中心軸進行旋轉。偏心軸、連桿、變速盤和行星輪支架組成曲柄搖桿機構,偏心軸為曲柄,變速盤為搖桿,當偏心軸自轉和公轉時,變速盤的轉速發(fā)生周期性變化。

1.2 存在問題

煙包輸出轉盤的鋼球過載保護器、推煙轉盤安裝在變速盤上,變速盤的銷軸與偏心軸通過連桿連接,三者組成了兩個間隙鉸鏈連接,是整個裝置中最易磨損的部位。一旦銷軸磨損,會導致推煙板取出煙包的速度異常,并造成煙包內煙支發(fā)生變形、皺褶等問題?,F(xiàn)場統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),煙包輸出轉盤變速系統(tǒng)的故障率較高,主要表現(xiàn)為銷軸、偏心軸、連桿、偏心軸軸承等磨損故障,其中銷軸的故障次數(shù)最多。造成變速系統(tǒng)故障的主要原因有:①變速系統(tǒng)在運行過程中,由于變速運動特性,導致變速盤在旋轉過程中的角速度出現(xiàn)快慢交替變化,進而使銷軸、偏心軸等受力零件在交變載荷的影響下,容易疲勞磨損;②變速系統(tǒng)采用的是單行星輪,所有受力零件都只有一個,負載大,零件易磨損,特別是煙包輸出轉盤發(fā)生撞煙故障時,受力零件會受到瞬時沖擊力而加快損壞。

2 改進方法

2.1 設計原理

由于銷軸與連桿之間采用間隙活動鉸鏈連接,含間隙鉸接副的磨損壽命計算公式[7-11]為:

式中:N 為間隙鉸接副的磨損壽命;α 為壽命系數(shù);hmax為最大允許磨損值;H 為材料的布氏硬度;B 為軸承寬度;K 為磨損常數(shù);kf為軸承耐壓系數(shù)與軸承額定載荷系數(shù)之比;β 為軸頸擺動幅度;W 為當量徑向外載荷。

式(1)表明,間隙鉸接副的磨損壽命與當量徑向外載荷W、最大允許磨損值hmax、布氏硬度H、軸頸擺動幅度β、軸承寬度B 以及軸承特性kf有關。其中,最大允許磨損值hmax和軸頸擺動幅度β 由煙包輸出轉盤的運動特性決定,無法隨意改變,而布氏硬度H 和軸承特性kf則與所用材料相關。因此,在不改變系統(tǒng)運動特性和材料的情況下,通過降低當量徑向外載荷W 和增加軸承寬度B 可以提升系統(tǒng)的磨損壽命。

2.2 系統(tǒng)結構

改進后煙包輸出轉盤變速系統(tǒng)主要由太陽輪、行星輪、偏心軸、中心軸、行星輪支架、變速盤等部件組成,見圖2。在原單行星輪對稱位置增加一個行星輪,將單行星輪改為雙行星輪;在系統(tǒng)中增加一組受力零件,包括偏心軸、連桿、銷軸和齒輪,以降低各受力零件的負載。在雙行星輪變速系統(tǒng)中,兩行星輪對稱分布,每個行星輪分別通過偏心軸、連桿和銷軸同時連接在同一個變速盤上。由于所有零件位置和尺寸與改進前完全相同,并不改變系統(tǒng)的變速特性,但受力零件數(shù)量增加,降低了單個零件承受的負載,進而減少零件磨損,延長變速系統(tǒng)的使用壽命。

圖2 改進后煙包輸出轉盤變速系統(tǒng)結構圖Fig.2 Structure of variable-speed system of cigarette packet discharger turret after modification

2.3 受力分析

圖3 雙行星輪煙包輸出轉盤變速系統(tǒng)受力分析Fig.3 Mechanical analysis of variable-speed system of cigarette packet discharger turret with dual planetary gear

根據(jù)煙包輸出轉盤的實際尺寸完成PROE 建模[12]并進行受力分析。設置變速系統(tǒng)輸入轉速為200 r/min。改進后變速系統(tǒng)的受力分析見圖3??梢?,兩根偏心軸分別通過連桿作用于兩根銷軸,由于零件數(shù)量增加,偏心軸的受力F54 和及銷軸的受力F515 和都降低到改進前的一半。而銷軸間接作用于中心軸的作用力F15′1 和F151,以及中心軸對變速盤的反作用力因大小相等、方向相反而相互抵消,從而降低了中心軸和變速盤的負載。

2.3.1 中心軸的扭矩分析

改進后變速系統(tǒng)中增加了一組行星輪和受力零件,零件數(shù)量發(fā)生變化,為驗證系統(tǒng)改變對中心軸扭矩的影響,進行了中心軸扭矩分析。由圖4 可見,改進前后中心軸扭矩變化區(qū)間基本一致,說明改進后未增大中心軸負載,由此驗證了改進方案的可行性。

2.3.2 中心軸的受力分析

圖4 改進前后煙包輸出轉盤中心軸輸入扭矩對比Fig.4 Comparison of input torque of center shaft before and after modification

改進前為降低離心力對中心軸的影響,避免中心軸承受過大徑向力,采用增加配重塊的方式進行力學平衡。改進后雙行星輪在結構上反向對稱,系統(tǒng)在質量、速度等方面形成自平衡。為驗證系統(tǒng)改變對中心軸受力的影響,進行了中心軸受力分析。由圖5 可見,改進前中心軸受力變化較大,最大受力達到102 N,最小受力約為2 N,原機構的動平衡能力較差,中心軸受到較大的徑向力。改進后中心軸的受力變化小,最大受力不超過1.2 N,最小受力約為0.5 N,系統(tǒng)的動平衡性能得到改善,中心軸基本不承受徑向力。

圖5 改進前后煙包輸出轉盤中心軸受力對比圖Fig.5 Comparison of forces acting on central shaft before and after modification

2.3.3 銷軸的受力分析

銷軸作為連接執(zhí)行機構與變速機構的關鍵部件,受力大且易損壞,為了驗證改進后銷軸負載變化情況,對銷軸進行了受力分析。由圖6 可見,改進前銷軸的正向最大受力約為95 N,負向最大受力約為-155 N;改進后銷軸的正向最大受力和負向最大受力分別降低到47 N 和-77 N,說明采用雙行星輪變速系統(tǒng)后,銷軸的最大和最小受力都降低到改進前的一半左右,受力情況得到改善。

圖6 改進前后煙包輸出轉盤銷軸受力對比圖Fig.6 Comparison of forces acting on pin shaft before and after modification

3 應用效果

3.1 試驗設計

材料:“好日子(珍品)”牌卷煙(深圳煙草工業(yè)有限責任公司提供)。

設備:GDX1 包裝機組(上海煙草機械有限責任公司)。

方法:將改進后的煙包輸出轉盤變速系統(tǒng)應用于2 臺GDX1 包裝機組,機組平均生產(chǎn)速度400包/min,按照兩班制8 h 運行,設備有效作業(yè)率在90%以上。分別統(tǒng)計改進前后2 臺包裝機組變速系統(tǒng)故障次數(shù)、維修間隔時間及維修費用等,測試時間為1 年。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由表1 可見,改進后2 臺包裝機組每年的故障次數(shù)由4 次/臺降低到1 次/臺,降幅為75%,其中銷軸、偏心軸和連桿均未發(fā)生故障。由表2 可見,改進后變速系統(tǒng)的維修間隔時間由4.3 個月延長到11.6 個月,每年的維修費用由2 526.95 元/臺降低為191.15 元/臺,減輕了維修人員的工作強度,降低了生產(chǎn)成本。

表1 改進前后變速系統(tǒng)故障次數(shù)統(tǒng)計Tab.1 Failure frequency of variable-speed system before and after modification (次)

表2 改進前后變速系統(tǒng)維修間隔和費用統(tǒng)計Tab.2 Maintenance interval and cost of variable-system before and after modification

4 結論

采用雙行星輪自平衡技術設計了一種煙包輸出轉盤變速系統(tǒng),通過降低變速系統(tǒng)各受力零件的負載,提升了系統(tǒng)穩(wěn)定性,解決了GDX1 包裝機組煙包輸出轉盤變速系統(tǒng)故障率高的問題。以GDX1 包裝機組生產(chǎn)的“好日子(珍品)”牌卷煙為對象進行測試,結果表明:改進后煙包輸出轉盤變速系統(tǒng)運行穩(wěn)定,故障次數(shù)減少3 次/臺,平均維修間隔時間延長7.3 個月,每年節(jié)約維修費用約2 335.8 元/臺,有效提升了設備有效作業(yè)率,降低了生產(chǎn)成本。

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