PROTOS2-2 卷接機組煙條分離輪的改進設計

杜坤艷，康 瑛，孫 斌，程衛民，張穎靚

中煙機械技術中心有限責任公司，上海市浦東新區金海路1000 號 201206

PROTOS2-2 卷接機組是德國HAUNI 公司生產的超高速卷接設備，生產能力16 000 支/min，具有自動化程度高、運行穩定可靠等特點，在卷煙生產企業得到廣泛應用。煙條分離輪是PROTOS2-2機組的關鍵部件之一，其作用是將被分切成兩段的煙條在軸向上分離，并在分開的煙條中加入一段雙倍長濾嘴段[1]。實際生產中煙條分離輪通過凸輪控制內、外排煙條的移動，當煙支濾嘴長度規格變化時需要更換相應規格的凸輪，費時費力，影響生產效率。近年來隨著煙草行業柔性化生產要求越來越高，針對PROTOS2-2 已進行了大量研究和改進。程衛民等[2]改進了超高速型卷接機組的調頭輪，并采用獨立伺服電機代替齒輪傳動，減小了傳動系統磨損，降低了設備運行噪聲；龔佳偉等[3]設計了超高速卷接機組濾嘴接裝機鼓輪驅動系統，為國產卷煙機鼓輪全伺服化提供了理論和實驗依據；杜坤艷等[4]研究了利用傅里葉級數設計煙支分離輪凸輪的方法；潘恒樂等[5]改進了PROTOS2-2 的循環風機，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清潔裝置，減少了設備停機次數，提高了設備運行效率；王永峰等[7]改進了磨刀裝置，提高了煙支濾嘴切口質量；孫斌等[8]設計了一種接裝紙噴膠裝置，提高了接裝紙上膠質量；童斌等[9]設計了ZJ116 卷接機組煙條分離輪專用工裝，提高了裝配效率；陳嘯[10]對一種無凸輪分離輪的工作原理進行了分析。但對于PROTOS2-2 煙條分離輪的改進設計則鮮見報道。為此，在不改變卷接機組結構的前提下，對PROTOS2-2 煙條分離輪進行改進設計，以期實現煙支濾嘴長度規格的快速更換，節約生產時間，提高工作效率。

1 問題分析

PROTOS2-2 機組煙條分離輪是在內部設置兩個端面凸輪，分別控制內、外排煙條的移動，其結構見圖1。內凸輪1 通過推桿驅動外排滑座4，外凸輪2 通過推桿驅動內排滑座3。實際應用表明，這種類型的鼓輪其內部凸輪需要潤滑油進行潤滑，存在漏油風險，容易造成煙條污染，甚至出現因潤滑效果不佳導致凸輪燒壞等現象，設備維護難度較大。此外，現有濾嘴接裝機的煙條分離輪只適用于生產單一規格濾嘴卷煙，當需要生產不同規格濾嘴（比如長度不同）卷煙時，則必須更換相應規格的凸輪，影響生產效率。因此，設計一種不需要更換零件即可實現煙支濾嘴長度規格快速調整的煙條分離輪是本研究中的關鍵。

圖1 改進前PROTOS2-2 機組煙條分離輪結構圖Fig.1 Structure of tobacco rod separating drum in PROTOS2-2 cigarette maker before modification

2 設計方法

2.1 改進后煙條分離輪結構

改進后煙條分離輪主要由擺動盤、內外排滑塊、約束滑塊、調整機構等部分組成，見圖2a。由于煙條分離輪左右對稱，圖2a 中只標出了部分外排零件。改進后煙條分離輪沿圓周均勻分布12 個外排滑塊4，每個滑塊上均設置2 個煙槽，煙槽之間的周節距為12π，與PROTOS2-2 原結構保持一致。連桿3 兩端通過關節軸承連接滑塊底部與擺動盤15 外圈，當驅動軸帶動分離輪輪體旋轉時，由于擺動盤15 傾斜一定角度，旋轉的擺動盤帶動滑塊沿兩根導桿做往復運動。為保證滑塊與擺動盤外圈在圓周方向上相對位置保持穩定，內外排滑塊4、5 需要在同一根導桿上分別設置一個約束滑塊2，約束滑塊2 同樣通過關節軸承與擺動盤外圈連接。

圖2b 可見，在鼓輪內部旋轉軸方向上對稱設置兩個擺動盤9、15，擺動盤內圈10、14 的上端通過鉸鏈固定在機架上，下端分別設置內外排調整機構11、13，擺動盤外圈8、16 分別通過連桿3、6 與內外排滑塊連接，擺動盤外圈可以繞內圈旋轉。內排調整機構11 由構件a 和構件b 組成，構件a 與構件b 構成移動副；外排調整機構13 由構件c 和構件d 組成，構件c 與構件d 構成移動副。構件a 和構件c 具有旋轉方向相反的螺紋，構件b 和構件d分別與擺動盤內圈10、14 構成回轉副。調整絲桿12 兩端具有旋轉方向相反的螺紋，與機架構成回轉副，并分別與構件a 和構件c 構成螺旋副。約束滑塊2、7 分別與導桿1 構成圓柱副，約束擺動盤外圈與內外排滑塊4、5 在圓周方向上的相對位置。當鼓輪旋轉時，導桿1 帶動擺動盤外圈旋轉，外圈通過連桿帶動內外排滑塊4、5 沿導桿1 做往復運動，使吸附于內排滑座及外排滑座上且對齊的兩列煙條在軸向上分離并形成一定距離。

圖2 改進后煙條分離輪結構和工作原理圖Fig.2 Structure and working principle of modified tobacco rod separating drum

2.2 分離行程快速調整方法

當濾嘴長度發生變化時，必須對內外排滑塊4、5 的分離行程進行調整。當旋轉調整絲桿12時，由于調整絲桿分別與構件a 和構件c 構成螺旋副，構件a 會有沿調整絲桿12 軸向往外或者往內移動的趨勢。此外，由于構件a 與構件b、構件c 與構件d 構成移動副，構件b 和構件d 分別與擺動盤內圈10、14 構成回轉副，這種移動趨勢會驅動回轉副轉動，確保構件a 和構件c 同時滿足螺旋副與移動副的運動要求，進而帶動整個擺動盤產生偏轉，實現分離行程的快速調整。

2.3 擺動盤

改進后煙條分離輪的核心部件是左右對稱布置的擺動盤，其作用是帶動滑塊沿導桿做往復運動，所以運轉時擺動盤內部的軸承承受雙向軸向載荷。研究發現，雙列角接觸球軸承可承受雙向軸向載荷，但是體積較大，因分離輪內部空間有限，故無法采用雙列角接觸球軸承。四點角接觸球軸承是徑向單列角接觸球軸承，其滾道主要用來支撐作用于兩個方向上的軸向載荷和徑向載荷；四點角接觸球軸承為分離式設計，即帶有滾球和保持架組件的外圈可分別安裝在兩個內圈半環上，與雙列角接觸球軸承相比，四點角接觸球軸承占用空間較小。分析可見，采用四點角接觸球軸承可以滿足分離輪的運動條件和空間布局要求。根據分離輪的整體結構尺寸，選用型號為L18SG600.2RSD 的FAG 四點角接觸球軸承，內徑d=152.4 mm，外徑D=171.45 mm，寬度B=12.7 mm。

擺動盤結構見圖3。固定件1、旋轉件2 和軸3構成一個鉸鏈機構，旋轉件2 可沿軸3 繞固定件1旋轉。固定件1 固定在配氣座上，擺動盤內圈6 上端固定在旋轉件2 上；擺動盤內圈6 下端固定在外排調整機構9 上。調整絲桿10 兩端帶有反向螺紋，分別與外排調整機構9 和內排調整機構的螺紋連接。

調整機構結構見圖4。支架3 通過螺釘固定在擺動盤內圈上，活動件1 既可以沿導向軸2 進行平面平移，也可以與導向軸2 一起旋轉，且活動件1 上的螺紋與調整絲桿連接。當需要改變濾嘴長度規格時，只需旋轉調整絲桿，活動件1 即可沿調整絲桿外移或者內移，同時圖3 中的旋轉件2 繞軸3 旋轉，擺動盤外圈則帶動滑塊沿導桿軸向移動，實現分離行程的快速調整。

圖3 擺動盤結構圖Fig.3 Structure diagram of swing plate

圖4 調整機構分解圖Fig.4 Decomposition chart of adjustment mechanism

2.4 主要尺寸關系

圖5 改進后煙條分離輪主要尺寸關系Fig.5 Main dimension relationships of modified tobacco rod separating drum

改進后煙條分離輪主要尺寸關系見圖5。以中心面與墻板的距離A=230 mm 為設計基準，滑塊運動空間長度B、滑塊最大分離行程C 和滑塊長度D 必須滿足B ＞C+2×D ，為使分離行程最大化，在保證機構不干涉的前提下應盡量減小E。根據分離輪內部空間要求，連接滑塊和擺動盤的關節軸承型號為GE6E，內徑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轉，關節軸承的傾角必須小于13°。

采用三維軟件CREO 建模并進行仿真，根據上述關系選取最優尺寸值，得到擺動盤偏轉角度θ與滑塊分離行程D 及上下端關節軸承傾角的關系，見表1。運用MATLAB 對擺動盤偏轉角度θ和滑塊分離行程進行線性擬合，可得D=6.65×θ+3.6，即擺動盤每偏轉1°，滑塊的分離行程改變6.65 mm。由表1 可知，當擺動盤偏轉角度θ為極限值13°時，下端關節軸承傾角為12.72°，小于額定傾角；上端關節軸承傾角為13.33°，大于額定傾角。為保證分離輪正常運轉，擺動盤最大偏轉角度設定為12°，此時上下端關節軸承的傾角均在額定范圍內，此時分離輪的分離行程為83.6 mm。

表1 擺動盤偏轉角度與滑塊分離行程及上下端關節軸承傾角的關系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 應用效果

3.1 試驗設計

材料：濾嘴長度25 mm 卷煙（常德煙草機械設備有限責任公司提供）。

設備：ZJ116A 卷接機組（PROTOS2-2 國產型號，常德煙草機械設備有限責任公司）。

測試方法：將改進后的煙條分離輪在ZJ116A卷接機組上進行測試。①靜態測試。用5 mm 內六角扳手旋轉調整絲桿，記錄最大分離行程；②卷接機組空載測試。分別設置分離輪分離行程為36，56 和76 mm，機組運行速度為14 000 支/min，運行時間不低于45 min，對機構干涉、噪聲等情況進行測試。

3.2 數據分析

靜態測試結果表明，改進后煙條分離輪能夠實現分離行程的快速調整，最大分離行程為83.6 mm，能夠滿足目前國內大部分卷煙品牌（常規濾嘴長度為25 mm，一般不超過35 mm）的生產需求。空載測試結果（表2）表明，3 種分離行程的測試值與設定值誤差均＜0.3%，且改進后分離輪運行平穩、無撞擊，噪聲＜85 dB（A），符合GB/T 50087—2013[11]工業企業噪聲控制設計規范要求。生產的煙條外觀無褶皺、無擠壓，符合GB 5606.3—2005[12]工藝規范要求。

表2 煙條分離輪分離行程測試結果Tab.2 Test results of separating stroke of tobacco rod separating drum

4 結論

采用擺動盤技術設計的煙條分離輪不再采用凸輪機構，通過相對于分離中心面對稱設置于輪體內部的擺動盤來控制滑塊的分離行程，在不改變卷接機組結構的前提下，實現了煙支濾嘴長度規格的快速調整，有效減輕了勞動強度，提高了生產效率。以ZJ116A 卷接機組為對象進行測試，結果表明：煙條分離輪最大分離行程為83.6 mm，能夠滿足國內卷煙企業的生產需求；在14 000 支/min 運行速度下生產濾嘴長度25 mm 卷煙時，3 種分離行程的測試值與設定值誤差均＜0.3%，分離輪運行平穩、噪聲低，生產的煙條外觀無褶皺、無擠壓，符合工藝規范要求。該技術同樣適用于PROTOS 90E、1-8 等使用凸輪機構的卷接機組，以提升設備智能化、柔性化水平。