賀 韌 田 晶 賀圣越 田 森 李 偉

(湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司三峽卷煙廠，湖北 宜昌 443100)

YB25型軟盒包裝機(jī)是中國(guó)煙草卷煙包裝加工的主流機(jī)型[1-2]。但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，該機(jī)型煙包封簽處普遍存在程度不一的溢膠現(xiàn)象[3]，通過(guò)常規(guī)調(diào)試維護(hù)無(wú)法有效解決。對(duì)此，范忠等[4]設(shè)計(jì)了一套全新的防溢膠涂膠裝置，但每8個(gè)月需更換1次，每套設(shè)備10萬(wàn)元，存在運(yùn)行穩(wěn)定性不足、改進(jìn)成本較高等問(wèn)題。

煙包“封簽?zāi)z外溢”外觀質(zhì)量缺陷是指煙包封簽周圍溢出膠跡長(zhǎng)度>3.0 mm、或有2點(diǎn)以上≤3.0 mm的膠垢，封簽?zāi)z外溢直接影響煙包的感官。但實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，使用YB25型軟盒包裝機(jī)的煙企均存在不同程度的封簽?zāi)z外溢質(zhì)量缺陷問(wèn)題[5-7]。文章擬對(duì)封簽涂膠系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)具有間斷性涂膠功能的扇形涂膠輪，并配合改進(jìn)后的傳動(dòng)系統(tǒng)以滿足其相位需求，在不改變?cè)O(shè)備運(yùn)行效率情況下解決煙包封簽?zāi)z外溢問(wèn)題。

1 工作原理

1.1 工藝流程

YB25型軟盒包裝機(jī)上使用的封簽涂膠系統(tǒng)由膠缸和傳動(dòng)系統(tǒng)兩部分組成[8-10]。圖1為煙包—封簽輸送涂膠示意圖，置于料斗1中的封簽3由吸風(fēng)輪2吸取，經(jīng)翻轉(zhuǎn)、移送自上而下輸送，同時(shí)，供膠輪6自膠缸8內(nèi)附著膠液，在其定向旋轉(zhuǎn)中被刮板7刮去多余的膠液，并將膠液傳遞到涂膠輪5上，附著膠液的圓形涂膠輪[3]與自上而下輸送的封簽內(nèi)表面接觸，形成兩道連續(xù)不間斷、縱向貫通的膠痕，完成封簽涂膠過(guò)程。已涂膠的封簽經(jīng)后續(xù)滾輪通過(guò)輸送通道4，被送入接紙盒9中，由叉形板10吸取并翻轉(zhuǎn)90°，與縱向推送來(lái)的煙包11匯合并隨之移動(dòng)，最后在叉形板與固定通道內(nèi)壁的擠壓下完成折疊、粘貼。其中，涂膠輪5與供膠輪6設(shè)置于膠缸8上，膠缸安裝在滑座上，由安裝在滑座上的齒輪組驅(qū)動(dòng)，可隨滑座一起沿導(dǎo)軌水平移動(dòng)。設(shè)備不生產(chǎn)時(shí)，膠缸可從滑座上取下保養(yǎng)清洗。

1.2 傳動(dòng)原理

圖2為封簽系統(tǒng)傳動(dòng)示意圖，封簽系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，動(dòng)力輸入軸Ⅰ的動(dòng)力傳輸分為兩個(gè)方向：① 通過(guò)定軸輪系Z2/Z3、軸Ⅱ、Z4/Z5驅(qū)動(dòng)軸Ⅲ旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動(dòng)軸Ⅲ上固聯(lián)的供膠輪旋轉(zhuǎn)；② 由定軸輪系Z2/Z3、軸Ⅱ、Z4/Z5、軸Ⅲ、Z5Z6、Z6/Z7驅(qū)動(dòng)軸Ⅳ旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動(dòng)固聯(lián)在軸Ⅳ上的圓形涂膠輪旋轉(zhuǎn)。

當(dāng)機(jī)器因故障需要長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)時(shí)，操作人員需要手動(dòng)分離膠缸傳動(dòng)系統(tǒng)，膠缸傳動(dòng)系統(tǒng)與主傳動(dòng)軸1分離，與攪拌馬達(dá)驅(qū)動(dòng)齒輪嚙合，涂膠輪與供膠輪進(jìn)行攪拌，避免缸體內(nèi)膠液干涸。

1.料斗 2.吸風(fēng)盤 3.封簽 4.輸送通道 5.涂膠輪 6.供膠輪 7.刮板 8.膠缸 9.紙盒 10.叉形板 11.煙包 12.固定折疊器圖1 煙包—封簽輸送涂膠示意圖Figure 1 Schematic diagram of sealing label transportation and gluing

圖2 封簽系統(tǒng)傳動(dòng)示意圖Figure 2 Transmission diagram of sealing label system

從封簽涂膠系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與傳動(dòng)原理可知，機(jī)器處于待料或者排除故障時(shí)，膠缸傳動(dòng)齒輪Z3需要與主傳動(dòng)齒輪Z2分離，與齒輪Z8嚙合，進(jìn)入攪拌模式；當(dāng)機(jī)器重啟，膠缸傳動(dòng)齒輪Z3與主傳動(dòng)齒輪Z2再次嚙合，嚙合點(diǎn)即發(fā)生了變化。由于原涂膠輪為圓形結(jié)構(gòu)，因此無(wú)相位要求，可在任何嚙合點(diǎn)分離和再次嚙合。

2 存在問(wèn)題

為探究YB25型軟盒包裝機(jī)“封簽?zāi)z外溢”質(zhì)量缺陷情況，在裝配原裝封簽系統(tǒng)的SB7#機(jī)組進(jìn)行為期7 d的抽樣調(diào)查，每間隔30 min抽樣一次，每次抽樣數(shù)量為10包，每日抽樣16次，統(tǒng)計(jì)封簽?zāi)z外溢煙包數(shù)量以及質(zhì)量缺陷率，結(jié)果見表1。

由表1可知，改進(jìn)前SB7#機(jī)組抽檢的1 120包卷煙中，“封簽?zāi)z外溢”質(zhì)量缺陷煙包達(dá)到了415包，質(zhì)量缺陷率為37.1%，表明該類質(zhì)量缺陷較為突出，亟需解決。

2.3 原因分析

由圖1和圖2可知，涂膠輪是由1個(gè)空心軸和4個(gè)圓盤(中間兩個(gè)圓盤為輸送盤、兩端圓盤為涂膠盤)依照一定間距排列構(gòu)成的整體。涂膠盤為圓形結(jié)構(gòu)導(dǎo)致涂膠過(guò)程是連續(xù)不間斷的，因此膠液軌跡貫通封簽全長(zhǎng)。封簽在煙包上粘貼成型過(guò)程中，由于膠液未干燥前具有流體固有的流動(dòng)性，涂到封簽紙邊緣的膠液與煙包匯合后，受到叉形板和固定通道內(nèi)壁的擠壓，便順著受力方向向外溢出，從而在煙包表面留下膠跡。因此，封簽?zāi)z外溢實(shí)際上是由涂膠線過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致的，通過(guò)調(diào)試機(jī)器不能徹底解決該問(wèn)題。

表1 封簽?zāi)z外溢質(zhì)量抽查統(tǒng)計(jì)表Table 1 Spot check statistics of sealing glue spillover quality

3 改進(jìn)方法

3.1 改進(jìn)思路

圓形涂膠輪連續(xù)性的涂膠軌跡，勢(shì)必帶來(lái)封簽邊緣膠液擠壓外溢。若將連續(xù)性的涂膠方式改進(jìn)為間斷式，采用凸輪凸緣輪廓控制涂膠長(zhǎng)度的方法，即采用扇形涂膠盤涂膠，涂膠時(shí)封簽兩端各留出一段未涂膠的緩沖區(qū)，就能使受擠壓流動(dòng)的膠液不至于溢出封簽外，從而將膠液范圍控制在封簽長(zhǎng)度范圍內(nèi)，解決封簽?zāi)z外溢現(xiàn)象。

3.2 可行性分析

如圖2所示，涂膠輪的涂膠盤外形改為扇形后，其與封簽輸送傳動(dòng)系統(tǒng)的工作關(guān)系發(fā)生了變化：正常狀態(tài)下，其與封簽輸送傳動(dòng)系統(tǒng)保持同步；但遇到機(jī)器處于待料或者排除故障時(shí)，膠缸傳動(dòng)齒輪Z3與主傳動(dòng)齒輪Z2分離，與齒輪Z8嚙合，進(jìn)入攪拌模式；當(dāng)機(jī)器重啟，膠缸傳動(dòng)齒輪Z3與主傳動(dòng)齒輪Z2再次嚙合，嚙合點(diǎn)具有隨機(jī)性，扇形涂膠盤涂膠與封簽輸送將無(wú)法保證同步，即無(wú)法保證膠線上下對(duì)稱分布于封簽中部，因此，需對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)，才能保證反復(fù)離合后封簽仍能正常涂膠。

通過(guò)已知條件和參數(shù)計(jì)算分析封簽動(dòng)力輸入軸Ⅰ與涂膠輪軸Ⅳ的傳動(dòng)關(guān)系：

n涂膠輪=n輸入軸(-N2/N3)·(-N4/N5)·(-N5/N6)·(-N6/N7)，

(1)

式中：

圖3 膠線改進(jìn)前后思路圖Figure 3 Thought diagram before and after improvement of glue line

N2——固聯(lián)在封簽機(jī)動(dòng)力輸入軸Ⅰ上的齒輪齒數(shù)，為24；

N3——軸Ⅱ輸入齒輪齒數(shù)，為24；

N4——軸Ⅱ輸出齒輪齒數(shù)，為16；

N5——供膠輪齒輪齒數(shù)，為62；

N6——供膠輪與涂膠輪之間的過(guò)橋齒輪齒數(shù)，為23；

N7——涂膠輪齒輪齒數(shù)，為16。

將各數(shù)值代入式(1)得：

n涂膠輪=n輸入軸(-24/24)×(-16/62)×(-62/23)×(-23/16)=n輸入軸。

即涂膠輪軸Ⅳ與封簽動(dòng)力輸入軸Ⅰ轉(zhuǎn)速相同，轉(zhuǎn)向相同。

經(jīng)觀測(cè)，處于工作狀態(tài)的涂膠輪軸Ⅳ與封簽動(dòng)力輸入軸Ⅰ軸線基本重合。將涂膠輪組件從膠缸上分離，通過(guò)聯(lián)軸器將其與封簽涂膠裝置輸入軸上的齒輪直接連接，便能夠保證扇形涂膠輪涂膠與封簽輸送的運(yùn)動(dòng)同步。

3.3 傳動(dòng)系統(tǒng)工作原理

封簽涂膠輪傳動(dòng)線路設(shè)計(jì)如圖4所示，輸入軸I通過(guò)齒輪Z2及其端面的凸牙分兩個(gè)分支向外傳送：① 由定軸輪系Z2/Z3、軸Ⅱ、Z4/Z5驅(qū)動(dòng)軸Ⅲ旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動(dòng)軸Ⅲ上固聯(lián)的供膠輪；② 通過(guò)聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)軸Ⅶ從而驅(qū)動(dòng)固聯(lián)在其上的扇形涂膠輪旋轉(zhuǎn)。工作狀態(tài)下，涂膠輪與膠缸上的供膠輪靠近，僅有0.02 mm間隙，在輸入軸的驅(qū)動(dòng)下完成封簽的同步輸送與涂膠；停機(jī)攪拌狀態(tài)下，手動(dòng)分離膠缸，安裝于其上的供膠輪隨之離開固定在機(jī)座上的涂膠輪組件，由于涂膠輪與封簽動(dòng)力輸入軸并未分離，因此封簽輸送與涂膠輪涂膠仍保持同步。

1.圓形涂膠圓盤 2.輸送圓盤 3.改進(jìn)后涂膠盤 4.改進(jìn)后輸送盤圖4 封簽涂膠輪傳動(dòng)線路設(shè)計(jì)示意圖Figure 4 Transmission design diagram of sealing label gluing wheel

4 改進(jìn)措施

4.1 涂膠輪的改進(jìn)

圖5為改進(jìn)前后的涂膠盤示意圖，改進(jìn)后的涂膠盤為扇形[11-12]，原周長(zhǎng)94.2 mm的圓形涂膠盤1，改為凸緣長(zhǎng)度為40 mm的凸輪結(jié)構(gòu)涂膠盤3，使長(zhǎng)度48 mm的封簽兩端各留出4 mm的非涂膠區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)溢膠可控。此外，為了方便清潔輸送通道和更換涂膠輪，將原周長(zhǎng)94.2 mm的圓形輸送盤2，改為與涂膠盤凸緣呈對(duì)稱分布、凸緣長(zhǎng)度為88 mm的凸輪結(jié)構(gòu)輸送盤4。

圖5 改進(jìn)前后涂膠盤結(jié)構(gòu)示意圖Figure 5 Structure diagram of glue plate before and after improvement

4.2 聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)與改進(jìn)

由于涂膠輪軸的軸線和封簽動(dòng)力輸入軸的軸線有一定的徑向和角向偏移，且涂膠輪旋轉(zhuǎn)屬于中速、輕載、常溫以及載荷較小的傳動(dòng)場(chǎng)合。而十字滑塊聯(lián)軸器，不僅能傳遞運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩，而且具有一定的徑向和角向補(bǔ)償能力。因此，選擇十字滑塊聯(lián)軸器為涂膠輪軸與封簽動(dòng)力輸入軸的聯(lián)軸器，如圖6所示。尼龍材料具有重量輕，強(qiáng)度高，韌性好，對(duì)沖擊、應(yīng)力的吸收能力強(qiáng)，耐疲勞性能突出，自潤(rùn)滑性好，噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，故選其為聯(lián)軸器中心盤。十字滑塊聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)如圖5所示，由2個(gè)端面帶凸牙的半聯(lián)軸器1、3和1個(gè)兩面開有徑向凹槽的中心盤2組成。

通過(guò)類比法設(shè)計(jì)后，進(jìn)行十字滑塊聯(lián)軸器中心盤和半聯(lián)軸器的滑動(dòng)面的強(qiáng)度校核[13-14],校核公式為：

(2)

圖6 十字滑塊聯(lián)軸器示意圖Figure 6 Structural diagram of cross slider coupling

T=F·L，

(3)

式中：

Pmax——材料承受的最大壓強(qiáng)，N/mm2；

K——載荷系數(shù)；

T——轉(zhuǎn)矩，N·mm；

h——滑槽深度或凸牙高度，mm；

D——半聯(lián)軸器或中心盤直徑，mm；

[P]——材料許用強(qiáng)度，N/mm2；

F——最大載荷，N；

L——力矩，mm。

根據(jù)測(cè)量，最大工作載荷F≈1.96 N，由于轉(zhuǎn)矩變化小，載荷系數(shù)K取1.3，滑槽深度、凸牙高度h=4 mm，半聯(lián)軸器、中心盤直徑D=24 mm，力矩L=12 mm，已知尼龍的許用壓強(qiáng)[P]=8～11 N/mm2，調(diào)質(zhì)45#鋼的許用壓強(qiáng)[P]=25 N/mm2。

將各值代入式(2)、式(3)，得：

尼龍中心盤滑動(dòng)面承受的壓強(qiáng)Pmax≈0.11 N/mm2<8～11 N/mm2；

半聯(lián)軸器滑動(dòng)面承受的壓強(qiáng)Pmax≈0.11 N/mm2<25 N/mm2。

通過(guò)計(jì)算表明十字滑塊聯(lián)軸器滑動(dòng)面承受的最大壓強(qiáng)低于許用值[P]，滿足動(dòng)力傳遞需要。

4.3 動(dòng)力輸入齒輪的改進(jìn)

圓齒輪Z2(圖4)改為端面有凸牙的齒輪，如圖7所示，一方面通過(guò)齒面嚙合驅(qū)動(dòng)供膠輪轉(zhuǎn)動(dòng)，另一方面利用端面上的凸牙與十字滑塊上的凹槽配合將動(dòng)力傳遞給涂膠輪軸，從而帶動(dòng)固聯(lián)在軸上的扇形涂膠輪轉(zhuǎn)動(dòng)。

通過(guò)類比法設(shè)計(jì)，改進(jìn)后的齒輪仍采用原齒輪的模數(shù)、齒數(shù)、材料等參數(shù)。

4.4 系統(tǒng)組成

改進(jìn)后的封簽涂膠系統(tǒng)由扇形涂膠輪組件、膠缸、傳動(dòng)系統(tǒng)3部分組成(見圖8)。扇形涂膠輪組件由帶凸牙的齒輪2、十字滑塊中心盤3、涂膠輪軸4等組成。扇形涂膠輪8安裝在由2個(gè)軸承支承的涂膠輪軸4上，軸承座5安裝在封簽傳動(dòng)齒輪箱箱體上，封簽動(dòng)力輸入齒輪2通過(guò)中心盤3將動(dòng)力傳遞給涂膠輪軸4，從而驅(qū)動(dòng)固定在軸上的扇形涂膠輪8旋轉(zhuǎn)。膠缸組件主要由缸體10、刮板11、刮板軸12、供膠輪13及驅(qū)動(dòng)齒輪14等組成。

1.凸牙 2.齒輪圖7 動(dòng)力輸入齒輪設(shè)計(jì)示意圖Figure 7 Schematic diagram of power input gear design

5 改進(jìn)效果

5.1 質(zhì)量效果

改進(jìn)完成后，在SB7#機(jī)組連續(xù)跟蹤檢查7 d，每間隔30 min抽檢一次，每次抽取10包，每日抽樣16次，檢查煙包封簽?zāi)z外溢情況，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明改進(jìn)后“封簽?zāi)z外溢”的質(zhì)量缺陷率為0，說(shuō)明該項(xiàng)質(zhì)量缺陷問(wèn)題得到了有效解決，改進(jìn)效果顯著。

圖8 涂膠系統(tǒng)組件示意圖Figure 8 Tomponent diagram of gluing system

5.2 設(shè)備可靠性

在煙機(jī)配件廠訂購(gòu)一套防溢膠缸需10萬(wàn)元，而試驗(yàn)改進(jìn)加工總費(fèi)用在1 000元以內(nèi)。該項(xiàng)目后期維護(hù)費(fèi)用較低。對(duì)改進(jìn)前后的SB7#機(jī)組膠缸組件的零備件消耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表2所示。

表2 SB7#膠缸組件改進(jìn)前后的零備件消耗統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of spare parts consumption before and after improvement of SB7# rubber cylinder assembly

對(duì)SB7#改進(jìn)前后封簽?zāi)z缸日常維護(hù)換件一年時(shí)間的跟蹤統(tǒng)計(jì)對(duì)比，SB7#包裝機(jī)改進(jìn)前每年維護(hù)費(fèi)用合計(jì)8 937元，改進(jìn)后每年的維護(hù)費(fèi)用共計(jì)2 432元，每組機(jī)臺(tái)每年可節(jié)約6 505元，維護(hù)周期也由12次/月下降為4次/月。對(duì)改進(jìn)前后單次維修時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖9所示。

與改進(jìn)前相比，改進(jìn)后的膠缸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，工作狀態(tài)穩(wěn)定，每月維護(hù)僅更換4次供膠輪軸承即可，單月維護(hù)時(shí)間縮短146 min，單次維修時(shí)間縮短6 min，設(shè)備可靠性得到了有效提升。

圖9 改進(jìn)前后每月維護(hù)耗時(shí)情況Figure 9 Monthly maintenance time before and after improvement

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)YB25型包裝機(jī)涂膠系統(tǒng)封簽涂膠過(guò)程的分析，得出了導(dǎo)致封簽?zāi)z外溢的原因，并針對(duì)原因分別對(duì)涂膠輪與傳動(dòng)裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，完成了封簽涂膠系統(tǒng)的改進(jìn)，使設(shè)備的可靠性得到提升。改進(jìn)后，煙包封簽?zāi)z外溢的質(zhì)量缺陷率由37.1%降至0.0%，改進(jìn)效果顯著。目前的涂膠系統(tǒng)結(jié)構(gòu)還是較為復(fù)雜，后續(xù)將從簡(jiǎn)化封簽涂膠系統(tǒng)出發(fā)，進(jìn)行更深一步的研究。