GDX1主機出口轉盤傳動軸的改進分析

溫亮，吳德成，李正偉

（深圳煙草工業有限責任公司，廣東 深圳 518109）

GDX1軟盒包裝機組是卷煙生產行業普遍使用的包裝機型，原裝進口于意大利G.D公司，設計能力為400包/min，是國內卷煙企業的主流機型。GDX1包裝機主機采用出口轉盤進行煙包的輸出，而出口轉盤采用出口轉盤傳動軸（后稱傳動軸）進行動力傳輸，傳動軸的運轉可靠性對提升出口轉盤的運轉準確性和提升煙包質量有關鍵作用。但是，在實際工作中，傳動軸的故障率較高，主要表現為十字萬向節磨損和花鍵膠合等。目前，GDX1出口轉盤傳動軸主要依賴于進口，不但訂購周期長、使用成本高，而且因其自身的結構特點，給維修、安裝工作增加了較大難度。

近年來，對GDX1包裝機組進行了大量的技術改造。伍宇超通過對驅動裝置進行整體改進,將電磁鐵驅動改造為電磁閥控制的氣缸驅動,有效地解決了因離合器驅動裝置不穩定而造成離合器失效的問題；查海、王建中對GDX1軟盒包裝機條盒出口美容器溫度控制系統進行了改進，改善了條盒透明紙常常出現的邊角褶皺、局部溫度過高或過低等現象；徐友良,鄭以龍對GDX1、GDX2包裝機1號輪夾臂裝置進行改造，解決了由于夾緊爪工作不到位而導致的煙支褶皺、掛破等質量缺陷，保障了產品質量的穩定性，提高了設備的有效作業率，降低了維修的工作量；孫靖倚針對使用過程中商標紙上膠不穩定的問題，對GDX1包裝機商標紙上膠機構膠輥及膠輥軸進行了優化改進，有效地減少了膠輥與膠輥軸之間的磨損，避免了因膠輥偏心引起的涂膠不均勻的現象，提高了包裝機的生產效率；張曉斌、姚勁等通過在拉帶輸送組件輸送輪處增加防拉帶跳槽裝置，有效控制了小包透明紙拉帶包裝缺陷。但對于GDX1主機出口轉盤傳動軸的改進則少有報道。因此，對傳動軸進行改進，旨在降低設備維修勞動強度，提高設備的使用壽命。

1 問題分析

1.1 工作原理

出口轉盤傳動軸（后稱傳動軸）是連接齒輪軸OX5269與出口轉盤中心軸的傳動構件，動力由齒輪軸OX5269輸入，將動力傳遞到傳動軸，傳動軸與出口轉盤中心軸連接，帶動出口轉盤轉動，最終實現煙包的輸出運動，其傳動示意圖如圖1所示。

圖1 GDX1出口轉盤傳動示意圖

傳動軸主要由左、右萬向節和中部的軸體組成，見圖2。其中萬向節為不可拆卸結構，在使用過程中，傳動軸兩端分別套接在齒輪軸和出口轉盤中心軸上，并采用頂絲固定，同時在兩端均配種了銷釘，以防止傳動軸運動走位，花鍵起到了伸縮改變傳動軸長度的作用，便于拆裝。在維修過程中，拆卸和安裝傳動軸首先需要拆卸和安裝銷釘，維修耗時較長。

圖2 傳動軸的組成

1.2 存在問題

出口轉盤推煙器使煙包由直線進給運動轉變為繞轉盤中心軸的圓周運動，運動狀態發生急劇變化且GDX1軟盒包裝機運轉速度高，造成煙包在換向時容易發生堵塞，往往導致傳動軸因承受過大扭矩而被損壞，如何降低傳動軸的維修成本，提高使用壽命是設備維修人員急迫需要解決的難題。

目前，行業內使用的傳動軸采用十字萬向節聯接叉形頭，無獨立的相位調節裝置，利用花鍵聯接，在維修、安裝過程中存在以下問題：（1）采用十字連軸節，萬向節不可拆卸，拆卸和安裝首先要拆卸和安裝銷釘，維修難度大。（2）傳動軸采用花鍵聯接，一旦發生磨損，滑動阻力變大，拆裝困難。（3）傳動軸沒有獨立的相位調節裝置，相位走位后，需要重新配種銷釘，增加了傳動軸相位調節難度。

2 改進方法

通過分析目前行業內GDX1主機出口轉盤傳動軸的結構，發現叉形頭配銷困難、萬向節易損壞是導致傳動軸拆裝時間長、使用壽命短的主要原因。因此，針對目前傳動軸萬向節不可拆卸、花鍵膠合、無獨立的相位調節裝置等不足，改進了傳動軸的結構。

改進后傳動軸設計了一種壓板式萬向節，由兩塊壓板和成十字交叉疊合的銷軸組合而成，為可拆卸結構。同時，在傳動軸中部增加了一個拆卸口，方便傳動軸拆卸過程中從中部脫開，可以提高拆卸和相位調節的效率。此外，利用方桿方套的聯接方式代替原來的花鍵聯接，防止接觸面的膠合，提高拆卸效率。其結構如圖3所示。

圖3 改進后傳動軸的結構

2.1 萬向節設計

針對現有萬向節存在的不足，設計了一種可拆卸板式結構萬向節，具有承載能力強、拆卸方便、結構簡單、容易加工等特點，其結構如圖4所示。

圖4 板式結構萬向節

板式結構萬向節由兩根帶有缺口的直銷和兩塊帶有U型直槽的壓板組成，安裝時，兩塊帶有U型直槽的壓板通過鎖緊螺釘將帶有缺口的直銷相互垂直地固定在一起，直銷的兩端通過軸承完成與叉形頭的配合。組合好的十字節，分別裝入左右兩個成90度排列的叉形頭中，每個叉形頭設計了兩個軸承，十字節的銷軸插入對應叉形頭的軸承孔內。拆裝時，轉動叉形頭至一定角度，即可安裝或者拆卸十字節的壓板螺釘，維修簡單方便。

2.2 滑動聯接配合參數設定

改進后的傳動軸采用方桿方套滑動聯接方式代替花鍵聯接。方套設計了夾抱機構，采用兩顆螺釘對方桿進行夾緊，可以有效降低配合間隙，減少運動間隙，防止配合面的膠合和磨損，提升聯接強度。利用計算機輔助設計優化方頭方套配合的尺寸參數，其主要結構如圖5所示。

圖5 方桿方套滑動聯接

根據空心軸計算公式可得傳動軸最小外徑尺寸Dmin為：

式中，p為出口轉盤功率，取p=2kW；α為軸的內外徑比值，取α=0.8；[]?為材料剪切強度，材料為A3鋼，查閱機械設計手冊，取[?]=141MPa；n為出口轉盤轉速，取n=200rpm。

由GDX1主機出口轉盤傳動軸的實測尺寸可知，傳動軸的直徑d為25㎜，改進后傳動軸的滑動聯接承載能力設置為原有軸的基礎上提高20%，故改進后傳動軸的滑動聯接母頭外徑D=30㎜＞Dmin。由于軸的內外徑比值α為0.8，故方桿方套滑動聯接母頭內徑不能超過24㎜。

方頭的寬度h和厚度b對方頭的強度起到關鍵作用，因此方頭所受剪切應力應滿足：

式中，T為傳動軸所受扭矩（N?m）；δ為A3鋼泊松比，取δ=0.3。

以方頭寬度h和厚度b為變量繪制函數曲線，如圖6所示。由圖6可知，在方頭施加最大剪切強度[?]=141MPa時，方大寬度h的取值范圍為3～24㎜，方頭厚度b的取值范圍為8～24㎜。

圖6 方頭厚度對寬度的函數關系

將上述方頭寬度h和厚度b的計算結果輸入計算機，利用ANSYS軟件進行參數優化，在相同的扭矩作用下對比方頭的最大變形，變形越小強度越高，優化結果顯示方頭寬度h取22㎜，厚度b取12㎜為最優參數組合。

2.3 相位調節裝置設計

目前使用的轉盤出口傳動軸無獨立的相位調節裝置，當相位走位后，必須拆卸傳動軸兩端的銷釘才能校正，校正后還需要重新配種銷釘，調試、安裝過程過于復雜。基于這一現狀，改進了傳動軸的相位調節結構。該相位調節結構采用圓筒圓柱頂絲結構，當相位發生改變時，只需松開5個螺釘就能輕松調節相位，操作便捷，極大地降低了設備維修勞動強度，其結構如圖7所示。

圖7 相位調節裝置

3 應用效果

3.1 試驗設計

根據改進后傳動軸的零件加工圖紙，制作傳動軸零件，并進行安裝、調試，見圖8。

圖8 傳動軸安裝過程

3.2 數據分析

由表1可見，改進后，傳動軸的維修耗時從247min降到24min，維修效率提高了929.2%，大幅度提高了工作效率，降低了維修人員的勞動強度。

表1 改進前后拆裝傳動軸耗時對比

由表2可見，改進后，傳動軸的使用壽命由89天提高到155天，使用壽命提高了74.2%。

表2 改進前后傳動軸使用壽命對比

4 結語

通過設計獨立的相位調節裝置，改進板式萬向節結構和方桿方套滑動聯接方式，利用仿真分析軟件尋找傳動軸的受力薄弱點并優化方桿方套配合尺寸參數，對GDX1主機出口轉盤傳動軸進行了改進，有效解決了現有傳動軸拆裝困難、使用壽命低、過度依賴進口的瓶頸。改進后，傳動軸的各個零部件均可獨立更換維修，極大地降低了維修成本和維修勞動強度。對改進后的傳動軸進行運行測試，結果表明，改進后出口轉盤傳動軸的維修效率提高了929.2%，使用壽命至少提高了74.2%，極大地提高了維修效率，降低了設備維修勞動強度和維修成本。