YB25型卷煙包裝機煙包轉向機構改進

賀 韌 田 森 田 晶 張 寧 賀圣越

(湖北中煙工業有限責任公司，湖北 武漢 430050)

YB25型軟盒包裝機由上海煙機廠于20世紀90年代引進，被廣泛應用于中國卷煙生產企業[1-3]，其獨有的煙包轉向機構位于主機橫向通道的尾部，連接橫向出口通道和煙包輸送皮帶，其核心作用主要包括三大部分[4]：① 煙包分離，轉向機構利用變速運動特性從通道內部逐包取出連續緊貼的煙包，并分別輸送至輸送帶上，從而實現煙包的分離，便于煙包輸送與檢測；② 煙包調頭，YB25主機出口通道內的煙包的濾嘴端朝向機器內側，且煙包的條碼側朝下，不便于檢測，而出口轉盤利用旋轉特性，將煙包180°旋轉，使條碼朝上，實現煙包的調頭；③ 煙包剔除，轉出盤的弧形通道中部有一個活動剔除裝置，包裝過程中產生的不合格煙包隨出口轉盤旋轉過程中，剔除裝置打開，煙包在離心力作用下被甩出，實現廢煙包剔除。由于煙機設備的特殊性，對煙包轉向機構的改進研究無跡可尋，而轉向機構在生產過程中損壞和導致煙包質量缺陷現象卻時有發生。文章擬通過分析轉向機構各零部件的磨損情況，分析機構存在的設計缺陷，并針對相應零部件進行改進設計。

1 工作原理

如圖1所示，轉向機構主要由動力輸入軸1、太陽輪2、行星輪3、配重塊4、偏心軸5、偏心軸連桿6、變速輸出轉盤7、煙包輸出轉盤8、離合器壓緊彈簧9、鋼球離合器10組成，動力輸入軸1與空心太陽輪2同軸心裝配，太陽輪2固定在機器座上，在機構運行過程中保持靜止狀態；傳動原理[4]：當動力輸入軸1轉動時，帶動固定于其一端的配重塊4轉動，而偏心軸5安裝于配重塊4的軸承孔，其末端固定行星輪3，故配重塊4帶動偏心軸5和行星輪3繞太陽輪轉動，由于行星輪3與太陽輪2嚙合，行星輪3轉動時會帶動偏心軸5繞旋轉中心自轉，而偏心軸連桿6套在偏心軸5上，另一頭與變速輸出轉盤7通過直銷相聯接，故偏心軸5轉動過程中，將動力通過直銷傳遞給變速輸出轉盤7，最終將動力傳輸給安裝于變速輸出轉盤7上的煙包輸出轉盤8；離合器壓緊彈簧9在運行過程中提供預緊力，配合鋼球離合器10以防傳動過載，保護機構正常運行。

圖2為偏心軸的速度測量位置和速度測量結果曲線圖，通過運動速度曲線可以看出，偏心軸在運動中的輸出絕對速度不斷變化，因此偏心軸驅動的下級零件也跟著做變速運動，即煙包輸出轉盤做變速運動。其作用原理為：慢速接觸煙包，防止高速轉動撞彎煙支，接觸到煙包之后，再加速輸出煙包，達到既能保護煙支又能快速輸出煙包的目的。

1.動力輸入軸 2.太陽輪 3.行星輪 4.配重塊 5.偏心軸 6.偏心軸連桿 7.變速輸出轉盤 8.煙包輸出轉盤 9.離合器壓緊彈簧 10.鋼球離合器圖1 轉向機構結構示意圖Figure 1 Schematic diagram of the steering mechanism

圖2 偏心軸速度曲線圖Figure 2 Speed curve of eccentric shaft

2 存在問題

YB25型軟盒包裝機轉向機構在卷煙生產中出現故障后，不僅會由于維修影響產量，還會產生廢煙造成物料浪費，以及產生質量隱患[5-8]，此外，維修后的轉向機構依靠肉眼觀察標記安裝曲軸，人為誤差較大，相位安裝檢查只能依靠開機驗證，會造成調試時間大大增加，因此必須保證轉向機構具有良好的穩定性以及低故障率。

為探究YB25型軟盒包裝機轉向機構故障情況，對2020年全年車間4臺YB25型軟盒包裝機轉向機構故障及其導致的煙包缺陷進行統計分析，結果如圖3所示，轉向機構故障次數達78次，主要障故形式為行星輪組件損壞與離合器組件損壞，其中離合器相關組件故障最為顯著，占轉向機構故障率的74.4%；全年由轉向機構導致的煙包質量缺陷達到了758包，存在嚴重質量隱患。

圖3 2020年車間4臺YB25型軟盒包裝機轉向機構故障及其損傷煙包情況Figure 3 Steering mechanism failure and damaged cigarette packs of four YB25 flexible box packaging machines in the workshop in 2020

對故障進一步分析，行星輪組件損壞分為配重塊軸承損壞與偏心軸連桿磨損；離合器組件損壞分為離合器鋼球和定位孔磨損、離合器鋼球壓板翹曲以及離合器咬死。

3 原因分析

3.1 非對稱偏心結構缺陷

轉向機構的變速運動是通過偏心曲柄實現的，非對稱偏心結構有如下缺點：偏心曲柄結構在變速運動中，動量不平衡，機器運動過程中的震動劇烈，為了達到動量平衡，機構在設計過程中采用了增加配重塊來抵消部分沖擊(如圖4所示)，但是配重塊的重量固定，因而其產生的動量也是固定的，而偏心曲柄結構變速運動的動量是不斷變化的，因此配重塊無法徹底消除偏心變速運動帶來的震動沖擊，相反，增加的配重反而引入了多余的負載，導致輸出轉盤安裝底盤的銷釘承受更大的沖擊力而更加容易磨損甚至斷裂。

圖4 偏心結構Figure 4 Eccentric structure and damage caused by eccentric structure

變速運動和配重塊引入的動量變化，不僅僅造成機械振動劇烈，而且會造成轉出盤離合器必須增加更大的預緊力和更大的自重，增加預緊力和自重會加重鋼球和鋼套的磨損，使整個離合器的壽命直線下降。

此外，太陽輪的安裝法蘭直徑大于齒輪的大徑，因此太陽輪只能采用插齒加工。而插齒加工的齒輪運動精度較低，導致轉向機構運動的穩定性差，噪聲大，其齒輪嚙合噪聲占到出口轉盤總噪聲的1/3，嚴重損害了操作人員的身體健康。

3.2 鋼球式離合器缺陷

原轉出盤機構采用鋼球式離合器，在其輸出轉盤底座和輸出轉盤的對應位置上設置了3個鋼套，在此布置鋼球式離合器存在如下問題：

(1)鋼球離合器鋼珠為點線接觸，容易損壞。如圖5所示，鋼球式離合器在旋轉方向的切線方向上，鋼球和鋼套是點接觸或線接觸，接觸面積小，壓強大，很容易造成鋼球和鋼套的點蝕磨損，最終會導致旋轉過程中，鋼球和鋼套之間存在微動摩擦，會更進一步造成磨損加劇，同時造成轉出盤運動噪聲劇烈提升。

圖5 鋼球離合器接觸線Figure 5 Contact wire of steel ball clutch

(2)轉出盤的3個鋼球不在同一圓弧上，即鋼球距離旋轉中心的距離不一致，導致3個鋼球在運動過程中受力不均，磨損不一致，從而會加劇鋼球和鋼套的磨損甚至卡死。此外，3個鋼球的受力不平衡，會導致其中的某個鋼球不受力，造成離合器在正常開機狀態下跳開，此時操作人員必須加大彈簧壓縮量，過重的彈簧預緊力導致離合器離合困難，在撞擊下甚至不跳開，導致箱體內主傳動齒輪出現斷齒故障，影響整機使用壽命。

4 改進措施

4.1 采用三點式對稱偏心結構行星輪系

若從結構中去掉配重塊，即可解決行星輪系的故障高的問題。根據三點決定一個圓的定理，若將轉向機構行星輪系與中心太陽輪匹配行星輪數量由改進前的1個改進為對稱3個[9-10]，并采用磨齒加工，使齒輪的傳動準確性提升，降低速度波動；三點式偏心結構避免使用配重機構，降低整個傳動機構的負載，3個輪系回轉更容易形成靜平衡和動平衡，動平衡后3個行星輪在太陽輪上的受力一樣，可使整個機構的震動和噪聲大幅減小。

采用3個曲柄驅動，內應力小，連桿受力小，運動更平穩，穩定性更高，轉動更輕；此外，采用3個曲柄驅動，使得銷釘的受力僅為原來的1/3，大大提升了銷釘的使用壽命。行星輪系改進前后結構如圖6所示。

圖6 改進前后行星輪系結構圖Figure 6 Structure diagram of planetary gear train before and after improvement

4.2 設計專用離合器機構

由于原轉向機構鋼球離合器運行過程為線接觸，且鋼球不同圓易磨損導致離合器故障率高，故考慮放棄原鋼球離合器，設計新型專用離合器。

4.2.1 采用兩個斜面—導柱式離合 首先考慮增大離合器受力面積，受力面積增大，壓強大幅度減小，在脫開時的沖擊力降低，從而減少單次脫開對離合器的磨損，可大幅度提升使用壽命，故采用表面與底座表面采用面接觸的斜面—導柱式離合[11-12]，并設計自適應調節機構，根據斜面的位置自動進行調節，提升離合器的嚙合精度。

脫開聯接點由改進前的3個鋼球改進為兩個導柱，可以自適應微偏轉，且每個導柱導向比高，導向性好，使整個離合裝置受力更加均衡，穩定性更好。此外，離合器轉盤與輸出從動件之間增加減震機構，增加離合器的運動柔性，從而大大降低運動噪聲。改進前后的離合器結構圖如圖7所示。

圖7 改進后離合器結構圖Figure 7 Structure diagram of clutch before and after improvement

4.2.2 采用彈簧 由于大彈簧預緊力范圍小，易導致主傳動齒輪斷齒故障，故考慮采用新結構彈簧代替原大彈簧。采用由12個小彈簧構成的組合型微彈簧組代替大彈簧，可以有效實現彈簧的力度配比，使彈簧預緊力調節更輕松便捷，且受力更均勻準確。

小彈簧采用截面厚度為1 mm的扁平彈簧，相比圓柱彈簧，不僅降低彈簧結構尺寸，壓縮比值更小，抗疲勞強度更高。其改進前后結構如圖8所示。

圖8 離合器彈簧結構改進示意圖Figure 8 Schematic diagram of clutch spring structure before and after improvement

5 效果驗證

5.1 煙包質量

為了驗證改進效果，針對車間4臺YB25型軟盒包裝機，對改進前后6個月由于轉向機構導致的煙包質量缺陷數量進行統計，結果如圖9所示，可以發現，轉向機構改進后，6個月內由于轉向機構導致的煙包質量缺陷僅為43包，相較于改進前數量大大降低，煙包質量隱患降低。

圖9 改進后轉向機構導致的質量缺陷煙包統計圖Figure 9 Statistics of quality defect cigarette packs caused by the improved steering mechanism

5.2 維修保養

為了對比改進前后的運動特性的改變，技術人員對改進前后變速輸出轉盤的銷釘進行了受力分析，并繪制了受力曲線，如圖10所示。

由圖10可知，新輸出轉盤銷釘的受力遠遠低于舊輸出轉盤(155 N)，銷釘的峰值受力僅為(55 N)，約原來的1/3，運動更平穩，零件受到的沖擊更小，因此各零件的使用壽命大幅度提升，從而可以大大降低維修次數，設備耐久性增強，保養頻次由改進前的每月1次延長為每年1次。

圖10 改進前后銷釘受力分析圖Figure 10 Stress analysis of brad before and after improvement

新轉向機構采用3個行星輪結構，所有行星輪和太陽輪的齒均設置了相關標記，在調節過程中，只需要按照對應的齒標記裝入即可，無需反復調節，降低了調節難度，拆裝時間由72 min/次降為18 min/次。

此外，新轉向機構行星輪系和離合器的運動精度都大幅度提升，同時在離合器的關鍵位置還設置了減震機構，因此在運動過程中，轉向機構的噪聲顯著下降。根據現場測試，其運轉噪音由83 dB降為37 dB。

6 結論

通過對YB25軟盒包裝機轉向機構故障點機構特性進行分析，找出了轉向機構故障原因，采用三點式對稱偏心結構行星輪系以及設計新型專用離合器，完成了煙包轉向機構的改進，有效地降低了轉向機構的故障率，減少了維修時間，降低了質量隱患，減小了設備噪音，改進效果顯著。