GDX2條透明紙包裝機拉帶制動裝置的改進

熊學倫

（重慶煙草工業有限公司涪陵卷煙廠，重慶 408107）

0 引言

GDX2是20世紀中國煙草總公司從意大利引進的包裝設備，因自動化程度高、轉速快、包裝質量好等優點被廣泛應用。某GDX2條透明紙包裝機頻繁出現拉帶供給過快、拉帶拉變形的問題，引起這些故障根本原因是拉帶制動裝置設計不合理，在使用一段時間后，制動裝置精度降低，需要進行換件等方式進行維修，同時伴隨著不合格產品產生，需進行報廢處理，給操作和維修帶來較大強度和難度，給生產安全性和經濟性埋下隱患，為此對GDX2條透明紙包裝機拉帶制動裝置進行改進。

1 拉帶供給問題

1.1 拉帶供給裝置結構及工作原理

拉帶供給裝置是由制動裝置、導帶輪、擺桿等構成，如圖1所示：①塊式制動器的拉帶圈固定在制動輪軸上，拉帶纏繞過導帶輪，最后與透明紙粘貼在一起作間歇性運動；②當拉帶輸送時，拉帶帶動擺桿向上逆時針擺動，克服彈簧彈力帶動制動桿逆時針擺動，制動層與制動輪分開，制動輪轉動；③當拉帶需要制動時，擺桿順時針擺動，彈簧推動制動層貼近制動輪進行制動。

圖1 拉帶塊式制動器

1.2 存在的問題

拉帶制動裝置能起到正常供給拉帶的作用，但在使用一段時間后會出現拉帶供給過快、拉帶變形的問題，見表1。拉帶變形次數及制動失靈次數較多，拉帶變形出現質量問題，換制動輪及制動桿次數較頻繁，反復維修反復出現，給操作和維修都帶來較大工作強度，以及不合格煙條報廢處理和配件消耗，都帶來一定經濟損失。

表1 制動裝置故障及維修情況 次/月

2 原因分析

經分析，引起拉帶制動不平衡的原因是制動輪和制動桿。

2.1 制動圓輪與制動桿磨損

如圖2所示，制動桿與制動層在制動時，有壓力接觸摩擦，會產生磨損。磨損原因有3部分：①制動輪與制動層接觸面積為12×22=264 mm2，接觸面積小，壓力大；②制動輪材料是鑄鋁，表面硬度不足100 HV；③制動頻繁，每天制動次數大約是30 000次，即2班，每班300箱，每箱50條。在高頻、摩擦力大的情況下，制動接觸面極易磨損，制動輪直徑變小，制動層減薄，制動面積越來越小，直到最后失效。

圖2 制動裝置

2.2 彈簧塑性變形

在高頻制動下，彈簧塑性變形，長度變短，彈簧稍有變形就可能無法將制動桿壓住制動輪。

2.3 彈簧結構

拉帶拉動擺桿克服彈簧壓力，驅動制動桿釋放制動輪，克服彈力時拉帶拉力變大，而拉帶較薄、韌性較差，若拉帶受力過大，拉帶就會變形或拉斷。

2.4 拉帶圈轉動慣量

圖3 拉帶圈和制動輪

2.5 解決措施

由上述分析可知，制動輪、制動層磨損和彈簧變形都會引起拉帶輸送不穩定。雖然維修手段能解決當時故障，但是經過一段時間，問題又反復出現，故障依然存在，目前并沒有有效措施能徹底解決，因此很有必要對拉帶制動裝置進行改進。

3 改進思路

引起拉帶輸送不穩定的因素，主要是制動裝置磨損和彈簧塑性變形，改進目的是減少磨損和改變彈簧。

3.1 改進彈簧

從前述分析可知，彈簧結構已對拉帶輸送造成負面影響，并且彈簧存在塑性變形，在這種情況下考慮取消彈簧。

3.2 改進塊式制動器

既然彈簧取消，那么塊式制動器不完整，就需要改變結構，因此考慮取消制動桿，而拉帶圈固定在制動輪軸上，制動輪需保留。于是將改進工作集中在減少制動輪磨損，可從兩方面進行改進：①增加制動輪圓周表面硬度及耐磨性；②減少制動輪圓周表面單位面積摩擦力。

由摩擦力f=μN（μ為摩擦因數，N為正壓力）可知：要減少摩擦力可以降低摩擦系數μ和減少正壓力N，降低摩擦系數可以重新選擇材料；在受力一定的條件下，要減少制動輪表面受單位面積上正壓力，就需要增大制動面積。假設制動面積在圓周上增加很多倍，相當于長度增加很多倍，等同于制動帶。于是想到用制動帶對制動輪制動，將塊式制動器改進成帶式制動器。

3.3 帶式制動器制動原理

如圖4所示，間歇性向前輸送過程中，當拉帶釋放過快時，擺桿在自身重力下順時針擺動，帶動制動帶向下運動，制動輪被抱閘緊；當拉帶需要向前輸送時，拉帶拉動擺桿向上逆時針擺動，擺桿帶動制動帶向上運動，松開抱閘緊的制動輪，制動輪轉動，拉帶向前輸送。

圖4 帶式制動器

4 改進思路可行性分析

將塊式制動器改成帶式制動器，從兩方面進行可行性分析。

4.1 結構可行性

根據帶式制動器結構原理，用一根制動帶一端固定，另一端固定在擺桿上。當制動輪需要放松時，拉帶帶動擺桿上抬，制動帶一端也上抬，制動帶與制動輪分離；當制動輪需要制動時，擺桿向下擺，帶動制動帶一端下擺，制動帶緊貼向制動輪，開始制動。因此結構可行。

4.2 功能可行性

功能主要是實現抱緊和松開制動輪。選好一定長度制動帶固定在擺桿上，在擺桿重力作用下帶動制動帶，制動輪被抱緊：如果擺桿重力足夠大，完全可以將制動輪抱閘緊，實現制動；如果擺桿重力不夠大，可以增大擺桿重力。拉帶帶動擺桿向上運動松開制動帶，能松開制動輪。因此功能可實現。

5 改進設計及實施

帶式制動器主要由3部分組成：制動輪，制動帶，固定制動帶的兩端子。需要設計制動帶、兩固定端子和制動輪的表面硬化處理方案。

5.1 帶式制動器參數計算

5.2 各部件選材及尺寸制定

（1）制動帶。根據設計要求，制動帶必須有塑性、韌性且耐磨等特點，GDX2機型外圍輸送帶恰好達到要求。將擺架置于下擺極限位置，制動帶一端固定在墻板上，另一端固定在擺架凸輪上。凸輪上有一長孔，可以用于調整制動帶，保證制動效果。此時測量兩固定端子并經過制動輪的長度，就可以確定制動帶的長度，在此基礎上減去2 mm，就是制動帶長度。經測量制動帶長度為458 mm，如圖6所示。

圖5 帶式制動器受力分析

圖6 制動帶

（2）墻板端子。當帶式制動器在制動時，固定端子所承受載荷不大，因此對其強度及韌性沒有要求，一并考慮經濟性，所以選擇低碳鋼Q195。為了讓制動帶完全與制動輪保持平行，兩端子必須在同一平面上。因固定在凸輪端距墻板9 mm，那么固定在墻板端必有9 mm凸起。墻板固定端子如圖7所示。再用一顆10 mm螺栓固定在墻板上，同時用壓板將制動帶夾在中間，用螺栓緊固。壓板結構如圖8所示。

圖7 墻板固定端子

圖8 壓板

（3）擺桿端子。為了讓制動帶完全與制動輪保持平行，凸輪上的固定端子就減少凸起的9 mm，材料選擇低碳鋼Q195，如圖9所示。

圖9 凸輪固定端子

（4）制動輪。制動輪是鋁鑄件，其表面硬度不高，容易磨損，為了提高硬度和耐磨性，對其表面進行陽極氧化處理，使其硬度達到300 HV或以上，氧化膜厚10μm。

6 應用及效果

為了驗證改進的效果，將帶式制動器用于單臺設備進行了1年試用，結果表明制動性能及零部件使用壽命都得以提高。如果制動帶或制動輪有輕微磨損，可以通過調節凸輪與擺桿的相對位置來消除磨損產生的間隙。從2019年3月開始對工廠內所有GDX2條透明紙包裝機拉帶制動裝置進行了改進，設備改進后的故障及維修情況見表2。帶式制動器的制動輪到目前為止沒有更換過，換制動帶的次數相當少，故障率極低，解決了拉帶輸送過程中出現的問題，提高了拉帶運行穩定性與可靠性，減少了維修和配件更換，達到改進的預期效果。

表2 改進后帶式制動器故障率及維修情況 次/月

7 結束語

通過對拉帶塊式制動器的改進，解決了拉帶塊式制動器存在的一些不足。結構原理雖然簡單，但是解決了生產中的問題，提高了設備的有效作業率，降低了零部件的費用。自從改進成帶式制動器后，制動輪表面磨損非常小，幾乎不更換，唯一需更換的是制動帶，而制動帶可以從已報廢的輸送帶中選取，因此現在帶式制動器只需備很少的制動輪庫存，達到改進的目的。