基于提升GDXⅡ包裝機玻璃紙外觀質量的改進設計

楊瀟

（云南煙草機械有限責任公司，昆明 650106）

0 引言

GDXⅡ包裝機的包裝過程中，玻璃紙包裝是整個包裝工藝流程中的重要環節。在玻璃紙包裝過程中多次出現玻璃紙翻邊的問題，嚴重影響其外觀質量。據統計，每生產1000包煙就有3包煙存在外觀質量問題。翻邊問題模擬圖如圖1所示。

圖1 玻璃紙翻邊問題模擬

1 要因分析

針對玻璃紙翻邊這一外觀質量問題，關鍵是找出造成玻璃紙翻邊的末端原因。玻璃紙在包裝過程中有翻邊現象，主要有兩條原因造成：一是搭口中心不在理想位置，烙鐵熨燙不均勻，從而造成玻璃紙翻邊；二是搭口處超出烙鐵的熨燙范圍，搭口處沒有得到有效完全的熨燙，同樣也會造成玻璃紙翻邊。

圖2 煙包搭口尺寸模擬圖

通過現場調查確認,煙包搭口的位置及烙鐵的位置，均在允許范圍內，不存在調整不當的問題。而煙包搭口尺寸為14 mm，而其烙鐵的寬度為12 mm，說明有2 mm寬度的玻璃紙得不到烙鐵的有效熨燙，翻邊現象在所難免，如圖2所示。因此，導致搭口尺寸過長，超出烙鐵的熨燙范圍，搭口處沒有得到完全有效的熨燙是造成玻璃紙翻邊的根本原因。

2 對策制定

從原理出發，降低送紙輥的角速度或者減短送紙輥的半徑都可以降低其線速度，從而實現減短玻璃紙的目的，如圖3所示。

圖3 送紙輥工作原理圖

若要降低其角速度，可以通過減小其齒輪2和齒輪1的傳動比來實現；若要減小送紙輥直徑，雖然可以改變其線速度，從而減短玻璃紙的長度，但同時帶來的問題是，要保證對輥間的間隙不變，必然要增大壓紙輥的直徑，又受到安裝空間的限制，難以配湊出滿意的中心距。因此降低其角速度，從而有效地降低送紙輥的線速度，實現減短玻璃紙長度的目的，而且兩齒輪安裝空間較大，更容易配湊中心距，實施難度小。

通過齒輪傳動原理，我們得出以下關系式：

式中：L為送紙輥單圈旋轉后玻璃紙輸送的長度；i為齒輪傳動比；d為送紙輥直徑。

另外，將搭口尺寸減得過多，底層玻璃紙會在烙鐵的熨燙下收縮，加深皺褶，同樣影響外觀質量；減得太少，又增加安裝調試的難度。經過權衡最終認定，將搭口尺寸控制在11 mm左右，則搭口邊緣與烙鐵邊緣預留了0.5 mm的間隙，用來彌補包裝帶來的偏差。

3 對策實施

3.1 準備工作

已知參數如表1（以下計算均采用四舍五入法精確到0.001）所示。

根據式（1）和表1，我們得知現在設計的齒輪的傳動比

表1 已知參數表

根據式（2），則有

式中：ZΣ為總齒數；Z1為齒輪1的齒數；Z2為齒輪2的齒數。

已知變位中心距

將式（3）代入式（4）變形可得

式中：a′為變位后的中心距；m為模數；α為壓力角；α′為嚙合角。

由式（5）我們可以配湊齒數。

3.2 配湊齒數

表2 配湊齒數表

將假設模數代入式（5）中，可得到不變位時的總齒數，再分別加減一齒，進行齒輪的配湊過程，如表2所示。

通過整個配湊過程，可以看出，當模數m=2時，ZΣ=49，Z1=21，Z2=28，玻璃紙長度為167.5 mm，搭口長度為11 mm。此結果完全符合我們的設計要求。

3.3 選擇變位系數

對于一般的齒輪傳動，選擇變位系數的限制條件主要有以下五條：a.滿足無側隙嚙合；b.保證齒輪加工時不根切；c.保證有必要的重合度；d.保證齒輪嚙合時不干涉；e.保證有一定的齒頂厚Sa。

1）保證無側隙嚙合。一對變位齒輪傳動，要保證無側隙嚙合，其嚙合角α′和總變位系數必須滿足：

式中：ХΣ為總變位系數；ZΣ為總齒數；α為壓力角；α′為嚙合角。

現已知：ZΣ=49，m=2，α=20°，inv20°=0.014 904（查表可得）。通過式（5）可知α′=22.95°，inv22.95°=0.022 892（查表可得）。將其代入式（6）可得:invα）=0.545。

2）保證加工時不根切。不產生根切的最少齒數計算公式為

不產生根切的最小變位系數計算公式為

至此，根據以上的限制條件，考慮到加工的方便及加工成本，我們初步將齒輪1、2的變位系數定為：Х1=0.545，Х2=0；以下將對所選定的變位系數做進一步的驗證。

3）保證必要的重合度ξa。

為保證齒輪傳動的平穩性，要求重合度ξa≥1.2。外嚙合齒輪的傳動重合度計算公式為：

式中：αa1、αa2為齒輪1、2的齒頂壓力角，

y為中心距變動系數；Х1、Х2為齒輪1、2的變位系數。

已知齒數、齒形參數及變位系數，可計算出αa1=34.7°、αa2=30.56°，將其代入到式（9），得出重合度ξa=1.446＞1.2，其結果滿足要求。

4）保證齒輪嚙合時不干涉。

小齒輪Z1齒根不產生干涉的條件是：

將已知參數代入到式（10），計算得：0.267＞0.229。

大齒輪Z2齒根不產生干涉的條件是：

式中：αa1、αa2為齒輪1、2的齒頂壓力角；α為壓力角；α′為嚙合角；為齒頂高系數；Х1、Х2為齒輪1、2的變位系數。將已知參數代入到式（11），計算得出：0.222＞0.142。通過以上論證我們得出結論：大、小齒輪均不會產生干涉。

5）保證有必要的齒厚Sa。

為了保證齒輪的齒頂強度，齒頂厚Sa不能太薄，對于軟齒面的齒輪，要求Sa≥0.25m。

齒厚計算公式：

式中：αa為齒輪的齒頂壓力角；Х為變位系數；da為齒頂圓直徑；α為壓力角。

通過式（12）我們可以計算出以下結果：

結論：大小齒輪的齒厚均符合要求。

按表3所示齒輪相關設計參數加工制造。

4 效益分析

首先，該改進設計提升了玻璃紙的外觀質量，減少了次品率，降低了故障停機的次數，減少了產能的損耗。其次，玻璃紙長從原先的170.5 mm減短至167.5 mm，平均每包節約3 mm的玻璃紙，按照GDXⅡ包裝機的生產速度為400包/min計算，每分鐘即可節約1200 mm的玻璃紙，這1200 mm的玻璃紙又可以包裝7包煙，大大節約了輔料，產生的經濟效益也非常可觀。

表3 齒輪1、2加工參數表