一種香煙包裝機折疊轉塔板的優化設計

吳功柱

（上海煙草機械有限責任公司，上海 201206）

一種香煙包裝機折疊轉塔板的優化設計

吳功柱

（上海煙草機械有限責任公司，上海 201206）

本文通過轉動慣量的計算原理，優化設計折疊轉塔板的結構，減少轉動慣量，從而滿足實用需求。

折疊轉塔 轉動慣量 結構設計

在FOCKE香煙包裝機中，折疊轉塔是小盒煙包包裝的重要部分。它有8個工位，如圖1所示。通過弧面分度凸輪驅動折疊轉塔板做間隙旋轉運動，在不同的工位上進行商標紙的折疊，完成小盒煙包的折疊。由于在商標紙折疊的過程中，商標紙僅僅依靠模盒進行固定，使其在高速裝動包裝的過程位置發生了變化，從而影響香煙的包裝質量。因此，在折疊轉塔板上增加吸風裝置，保證商標紙在折疊轉塔的包裝過程中固定位置［1-3］。

圖1 折疊轉塔板

改進設計的煙包折疊轉塔板，如圖2所示。設計中正面沒有改變，而在折疊轉塔板背面增加了氣孔，即原來斜凹面槽中增加了16個筋。經實物機器上測試后發現，圖中的螺釘發生了彎曲現象。由此可見，轉塔板在間隙轉動過程中，產生了巨大的沖擊扭矩。究其原因，在于質量增加和質量分布發現了變化，促使改進設計的折疊轉塔板的轉動慣量大大增加。現要滿足裝配需求，而螺釘在有限的空間位置無法改變其大小，因而需對折疊轉塔板進行優化設計，使其轉動慣量符合螺釘的許用應力。

圖2 改進設計折疊轉塔板

1 折疊轉塔板轉動慣量的影響因素

1.1 轉動慣量的計算方法

轉動慣量J是指定軸轉動時的慣性大小；而慣性張量I是指定點轉動時的慣性大小。其次，當轉軸取定后，轉動慣量是一個常數；而當剛體轉動的定點取定時，由于通過該點可以建立許多坐標系，所以慣性張量的分量還與所取的坐標系有關。慣性張量在某點取定的坐標系上各分量的大小是一定的，但在同一點的不同坐標系上各分量的相應值不同，但它們滿足張量的變換關系。可以證明，在有的坐標系中，慣性張量I的表示較簡單，只有對角元素，這時的坐標軸稱為慣性主軸。另外，轉動慣量J是一常數，動量矩的方向與角速度的方向一致；而慣性張量I是二階張量，動量矩的方向一般與角速度的方向不一致。由于定點轉動包括了瞬時定軸轉動，因此它與轉動慣量J有一定的內在聯系，可以由慣性張量求得轉動慣量，而轉動慣量就是Izz，即慣量張量沿轉軸z方向的主值［4-7］。

1.1 .1 矩陣表示

對于三維空間中任意一參考點K，與以此參考點為原點的直角坐標系Kxyz，一個剛體的慣性張量I可以表示為3×3矩陣。這里，矩陣的對角元素Ixx、Iyy、Izz分別為對于x軸、y軸、z軸的轉動慣量。

1.1 .2 轉動慣量方程

設定（x，y，z）為微小質量dm對于點K的相對位置，則這些轉動慣量以方程式定義為：

1.1 .3 慣量積方程

矩陣的非對角元素，稱為慣性積，以方程式定義為（在計算中通常將慣性積取負值）：

1.2 轉動慣量的影響因子

根據上述計算公式，影響轉動慣量的主要因子為總體質量大小及其分布。因此，此次優化設計的主要方向為減輕重量，及在不影響使用的前提下合理進行結構設計，優化質量分布。

1.3 折疊轉塔板的轉動慣量計算

根據前文提到的計算方法，在此利用PRO/E軟件中的質量屬性模塊建模，分別可得其質量及慣性張量。如圖3所示，為改進設計的折疊轉塔板的質量屬性圖。可以看出，它的質量約為9.31kg。

2 折疊轉塔板的優化設計方案研究

根據前文敘述轉動慣量的影響要素對折疊轉塔板進行分析發現，主要影響因素為質量增加及分布。針對這兩個要素對折疊轉塔上的非功能結構進行優化設計，具體方案如下。

圖3 改進折疊轉塔質量屬性

2.1 方案1

對折疊轉塔板進行去重挖槽設計。為保證其工作強度，在離邊緣一定距離處進行挖槽，大小直徑分別為400mm、200mm，并保證板的最低厚度為5mm，如圖4所示。

2.2 方案2

設計如圖5所示，將原來的斜凹面設計為階梯槽，且距離中心越遠，槽深度越大，保證板厚6mm，上階梯面板厚11mm，階梯處直徑為350mm。

圖4 方案2的設計模型圖

圖5 方案2的設計模型圖

3 結果分析

根據設計方案對模型進行質量屬性分析，測量結果如表1所示。由表1可以看出，方案1的質量最小，但其轉動慣量無明顯減少；方案2質量較方案1略多，但其轉動慣量減少明顯，故采用方案2設計方案。

4 實驗驗證及結論

為了測試優化設計效果，驗證方案2設計的折疊轉塔板對螺釘的沖擊是否在器承受范圍內，現場搭建了如圖6所示的實驗平臺。在平臺上安裝折疊轉塔板實際工作情況下所涉及的零部件，然后在電機的驅動下做間隙運動。實驗表明，螺釘無歪曲現象，故此優化方案合理實用。

表1 優化結果分析

圖6 實驗平臺

[1]黃德良，龔美華，徐峰.FOCKE FC800超高速硬盒包裝機技術分析[A].中國煙草學會2010年學術年會論文集[C].2010.

[2]郭建娟，蔣文瑛.FOCKE 800硬盒包裝機的機械傳動分析[J].機械工程師，2012，（9）.

[3]何霄峰.商標紙質量對超高速包裝機組速度的影響[A].中國

煙草學會2010年學術年會論文集[C].2010.

[4]黃宏煒.關于慣量張量的注釋[J].物理與工程，2002，（3）. [5]洪國雄.慣性張量的物理意義[J].大學物理，1989，（12）. [6]徐水源.慣性矩與慣性張量的關系[J].黃石教育學院學報，2005，（4）.

[7]齊廷柱.慣性張量矩陣表示方法的討論[J].松遼學刊：自然科學版，1995，（2）.

Optimized Design of Folding Turnplate for a Cigarette Packaging Machine

WU Gongzhu
(Shanghai Tobacco Machinery Co., Ltd., Shanghai 201206)

In this paper, the principle of rotating inertia is used to optimize the structure of the folding turret to reduce the moment of inertia, so as to meet the practical needs.

folding turret, moment of inertia, structural design