ZB45型包裝機小盒商標紙疊供料離合器的改進

鄧梅東

(龍巖煙草工業有限責任公司，福建龍巖 364021)

ZB45型硬盒包裝機組作為卷煙機械設備，被中國煙草制造廠家廣泛使用［1］。但其小盒商標紙疊供料傳動系統的控制電磁離合器，在設備運行過程中，因活動摩擦片的限位環易移位、復位彈簧圈和離合器摩擦面易磨損，經常出現商標紙供給系統不向紙庫輸送商標紙疊或送料堵塞等故障問題。由于中國單純大量使用該機型卷煙包裝設備的生產廠家較少，對該故障問題的研究及解決方案還處于空白。

龍巖煙草工業有限責任公司生產車間單純投入使用該機型設備已達14臺套。車間技術人員自行立項研究攻關，參考相關電磁離合器與電磁制動器［2］、電磁離合器的改進［3］、摩擦片式電磁離合器的測試及選用［4］等各方技術進行維修處理和選型更換，但均未能使該故障得到有效解決。本試驗采用以螺釘限位取代原限位環、以外掛式拉簧取代原彈簧圈的復位方式的技術改進，擬解決該系統中的電磁離合器活動摩擦片的限位環易移位且不易調整、復位彈簧圈易磨損和離合器摩擦面易磨損問題。

1 工作原理及存在問題原因分析

1.1 工作原理分析

1.1.1 小盒商標紙疊供給傳動原理 如圖1所示，由主傳動傳遞過來的動力經一對圓錐齒輪Z1傳遞給軸Ⅰ1，經聯軸器M1、M2、M3將動力傳遞給電磁離合器M4。電磁離合器由電控系統控制，當電磁離合器得電時，軸Ⅰ1的動力經電磁離合器傳遞給蝸桿Z2，蝸桿帶動蝸輪Z3，蝸輪Z3帶動軸Ⅰ2作旋轉運動，帶動了軸Ⅰ2上的凸輪T1、T2、T3。凸輪T1和T3控制商標紙提取斗完成商標紙疊的供給，凸輪T1實現商標紙疊提取斗的水平移動，凸輪T3實現商標紙疊提取斗的垂直運動;凸輪T2實現商標紙疊輸送帶的步進進給。

圖1 小盒商標紙疊供給傳動系統原理圖Figure 1 Schematic box trademark paper supply transmission system

圖2 商標紙疊供給原理圖Figure 2 Trademark paper supply diagram

1.1.2 小盒商標紙疊供給的工作原理 如圖2所示，電磁離合器的吸合和脫離通過商標紙庫的一對光電管和電氣凸輪14控制。商標紙疊由操作工放置在輸送帶9上，當紙庫內商標紙到達一定位置時，兩對射式光電管導通，發出電信號，電控系統控制電磁離合器2吸合，主傳動向商標紙疊供給系統傳遞動力，提取斗在凸輪4、7和齒輪的帶動下向紙庫輸送商標紙疊。當電氣凸輪14壓下微動開關13時，電磁離合器2吸合和釋放由電氣凸輪控制。提取斗在回程到達最高點后，向商標紙疊輸送皮帶靠近，提取斗運行停止后，凸輪5通過滾子、擺桿、扇形齒輪、齒輪8、單向超越離合器帶動皮帶輪，完成輸送帶向提取斗輸送商標紙疊的步進進給運動。當電氣凸輪14的平面轉動到微動開關13的滾輪下方時，微動開關復位，電磁離合器失電，主傳動不向商標紙疊供給系統提供動力，商標紙疊供給系統完成一次供料循環，等待下一次的供料循環。

正常工作時，蝸桿把主傳動的動力傳給蝸輪，向商標紙疊供給系統傳遞動力。若過載時，蝸桿克服壓縮彈簧壓力，沿軸向向上運動，檢測擋圈10隨蝸桿上移，檢測器12檢測到擋圈10后發出停機指令，同時電磁離合器失電。

1.2 問題原因分析

如圖3所示，限位環10以緊配合的方式固定在齒輪12的齒頂上，限位環10起到兩種作用:

(1)對活動摩擦盤11進行限位。通過調整限位環在齒輪12的位置，以保證活動摩擦盤和固定摩擦盤3之間的間隙及平行度。

圖3 原電磁離合器結構簡圖Figure 3 Schematic diagram of the original electromagnetic clutch

(2)對活動摩擦盤進行復位。當活動摩擦盤11在電磁吸力作用與固定摩擦盤3吸合在一起時，由于內齒輪盤4通過螺釘8與活動摩擦盤11固定在一起，內齒輪盤也隨著活動摩擦盤往上運動。這樣對限位環10和內齒輪盤4之間的彈簧圈9擠壓，彈簧圈對活動摩擦盤產生向下復位的彈力。

活動摩擦盤11和內齒輪盤4通過4個螺釘緊固在一起，兩者為內齒，均與齒輪12嚙合。當電磁離合器得電時產生電磁吸力，活動摩擦盤11在電磁吸力的作用下，克服自身重力和彈簧圈9的阻力向上運動，與電磁離合器的固定摩擦盤3吸合在一起，在這一過程中，限位環10受到內齒輪盤4的撞擊力。當電磁離合器失電時，活動摩擦盤11在自身重力和彈簧圈9的彈力作用下，與固定摩擦盤分離下落，活動摩擦盤下落時對限位環10產生撞擊力。而限位環10與齒輪12的齒頂為線性接觸，配合面積小，限位環受到撞擊力后，與齒輪12齒頂的配合產生松動，從而引起活動摩擦盤11的內齒與齒輪12嚙合的間隙變化。當限位環10在齒輪12上的位置上移時，兩摩擦盤的間隙變小;而限位環10在齒輪12上的位置下移時，兩摩擦盤的間隙變大;限位環10在齒輪12上的位置變化后，還將造成活動摩擦盤的吸合平面與固定摩擦盤的吸合平面不平行。

兩摩擦盤吸合面不在同一平面上或間隙過大，造成活動摩擦盤無法被離合器產生的吸力向上吸合，無法將活動摩擦盤的動力傳遞給商標紙疊傳動系統。

兩摩擦盤吸合面不在同一平面上或摩擦盤間隙過小，離合器失電后，活動摩擦盤不能及時與固定摩擦盤分離。彈簧圈在活動摩擦盤頻繁的運動過程中，與內齒輪盤4和限位環10產生摩擦斷裂后，起不到活動摩擦盤的復位作用，活動摩擦盤不能及時與固定摩擦盤分離。上述兩種情況均會使離合器在不得電時，活動摩擦盤仍會將動力傳遞給商標紙疊供給傳動系統，當商標紙疊供給傳動系統運轉到微動開關被電氣凸輪壓下時，離合器得電，商標紙疊供給傳動系統由主傳動傳遞動力，提取斗再次向紙庫供料，此時由于紙庫內商標紙存量多，將造成提取斗過載故障。

2 改進方法

2.1 商標紙供料離合器改進設計與實施

由于原電磁離合器的限位和復位方式存在缺陷，取消電磁離合器限位環和彈簧圈。如圖4所示，設計定位圓環8，用兩個M5×8的緊定螺釘將圓環固定在法蘭座11上，通過安裝在圓環上的4個M5×30螺釘16限位活動摩擦盤4;以及在圓環上安裝4個螺釘7和在活動摩擦盤上安裝4個拉簧掛架5，安裝4個拉簧6，對失電后的電磁離合器的活動摩擦盤進行復位。

圖4 設計改進后電磁離合器結構示意圖Figure 4 The improved design of electromagnetic clutch structure schematic diagram

改進后電磁離合器的工作原理［5］:從主傳動傳遞來的動力經聯軸器將動力傳遞給法蘭19，法蘭19通過3個螺釘18與法蘭座11連接，法蘭座11又通過6個螺釘與齒輪14連接，由齒輪14將動力傳遞給活動摩擦盤4。當電磁離合器得電時，在電磁吸力的作用下，活動摩擦盤4克服拉簧6的拉力上移，從而帶動固定摩擦盤轉動，將動力傳遞給商標紙供料傳動系統;當電磁離合器失電時，活動摩擦盤4在自身重力和拉簧拉力的作用下，活動摩擦盤快速下移，從而斷開商標紙供料傳動系統與主傳動系統的動力，停止向商標紙庫供送商標紙疊，活動摩擦盤則隨主傳動繼續轉動。

2.2 定位圓環設計

改變活動摩擦盤的限位方式，選用牌號為LY6的鋁合金加工定位圓環［6］，利用調節螺釘來調節離合器摩擦面的間隙。利用此圓環代替限位環，用螺釘調整間隙，使得調整方便、快捷、準確。定位圓環設計見圖5。

2.3 拉簧掛架設計

由于取消了限位環，彈簧圈失去了復位活動摩擦盤的作用，分析該離合器的安裝方式，活動摩擦盤在下方，在沒有電磁吸力的情況下，活動摩擦盤靠自重雖然可自行下落。但由于電磁離合器在失電后，存在“剩磁”現象，活動摩擦盤不能快速與固定摩擦盤分離。設計外掛式拉簧用以確保在電磁離合器失電時，活動摩擦盤能快速與固定摩擦盤分離。以避免彈簧圈磨損造成活動摩擦盤不能分離的缺陷。拉簧掛架設計見圖6。

圖5 定位圓環設計簡圖Figure 5 Sketch of the positioning ring

圖6 拉簧掛架設計簡圖Figure 6 Sketch of the spring hanger

拉簧掛架材料的選型［6］:1Cr18Ni9Ti。

2.4 拉簧的選型

彈簧在變應力下工作，應有較高的疲勞極限、屈服極限和足夠的沖擊韌性。彈簧在使用期限內有足夠的強度，不產生永久變形，以及質量輕、體積小。

對離合器改進后，利用圖4中的4個調整螺釘11，在電磁離合器失電時，將兩摩擦盤的間隙調整為0.5 mm，此時測量拉簧掛架5和懸掛彈簧螺釘之間的距離為22 mm，故選用自由長度H0＜22 mm的小型圓柱螺旋拉伸彈簧，并分別對材料直徑為0.35 mm和0.40 mm，彈簧中徑均為5.00 mm的6種規格的彈簧進行試驗對比。由表1可知，序號為1、4、5規格的彈簧，活動摩擦盤均吸合、分離正常。對3種彈簧的拉伸量進行比較:其中序號1彈簧的變形量為22.0 mm－12.5 mm=9.5 mm;序號4彈簧的變形量為22.0 mm－12.8 mm=9.2 mm;序號5彈簧的變形量為22.0 mm－14.8 mm=7.2 mm。

由于序號5的彈簧變形量較小，因此選用如圖7中材料為碳素彈簧鋼絲的小型圓柱螺旋拉伸彈簧［7］，型號為:L A 0.4 ×5.00 ×14.8 ×12.5(GB 1973.2—89)。

表1 小型圓柱螺旋拉伸彈簧選用試驗對比表Table 1 Small cylindrically coiled tension spring selection table test

圖7 拉簧選型示意圖Figure 7 Schematic diagram of spring type

3 改進效果驗證及經濟效益分析

表2是改造前32#ZB45型商標紙供料離合器故障維修統計表。

由表2可知，2009年3月至2010年2月期間，32#ZB45型包裝機在改造前，該機共處理電磁離合器故障6次，維修花費時間為350 min，故障維修時間長，影響了設備生產效率，而且每年還需兩次停機檢修保養對電磁離合器活動摩擦盤清潔、潤滑。2010年4月對電磁離合器改進后，于2012年4月對該機臺因電磁離合器故障引起的停機進行統計，在兩年期間，該機臺無因電磁離合器故障引起的停機，改造后，每年僅需一次對電磁離合器活動摩擦盤清潔、潤滑即可，且調整方便，節省維修人員工作量，大大提高了設備效率。

表2 改造前32#ZB45型商標紙供料離合器故障維修統計表Table 2 The transformation of the former 32#ZB45 trademark paper feeding clutch failure repair statistics

該技術已進一步推廣至龍巖煙草工業有限責任公司生產車間其余13臺ZB45型包裝機上應用。從經濟效益看:改造前，因限位環松動或摩擦面磨損造成電磁離合器兩摩擦盤間隙無法調整需更換離合器。改造后，由于活動摩擦盤限位和定位方式的改變，當兩摩擦盤接觸表面磨損后，不需更換電磁離合器，通過調節螺釘，就能達到調整兩摩擦盤間隙的目的。電磁離合器價格6 146.72元/套，按龍巖煙草工業有限責任公司14臺設備計算，每年可節約維修費用近9萬元，達到改造的預期目的。

1 王峙，鄭路，劉亞麗.煙草機械與信息化技術發展現狀與趨勢［C］//中國煙草學會.2009～2010煙草科學與技術學科發展報告.北京:中國科學技術出版社，2010:135～146.

2 張偉.電磁離合器的改進［J］.設備管理與維修，2006(6):40.

3 施嘉駿.電磁離合器與電磁制動器［J］.裝備機械，2005(4):50～57.

4 于興芝，郭威.摩擦片式電磁離合器的測試及選用［J］.機械研究與應用，2008(2):122～124.

5 上官同英.機械設計基礎［M］.趙曼，任衛東.北京:清華大學出版社，2009:242～244.

6 聞邦椿.機械設計手冊［M］.機械設計手冊編委會.第5版.北京:機械工業出版社，2010:46～53.

7 成大先.機械設計手冊［M］.第五版.北京:化學工業出版社，2010:37～43.