PASSIM8K卷接機組劈刀保險裝置改進

霍學民

（河南中煙公司許昌卷煙廠，河南許昌 461000）

0 引言

PASSIM8K卷接機組是卷煙設(shè)備主要機型之一，在日常使用和維修過程中，卷煙機的劈刀傳動機構(gòu)出現(xiàn)問題次數(shù)較多：一是保險銷釘磨損很快，磨損后會造成劈刀傳動曠量大，煙支端部空松、緊頭不好，重量標偏達不到要求，機組人員必須得經(jīng)常更換保險銷；二是在劈刀機構(gòu)出現(xiàn)過載的情況下，時常出現(xiàn)保險銷不能被及時切斷的現(xiàn)象，造成劈刀機構(gòu)或彈性聯(lián)軸器損壞。

1 劈刀機構(gòu)工作原理

重量控制系統(tǒng)是卷煙機重要組成部分之一，按其工作原理可分為檢測、控制和平準器（俗稱劈刀機構(gòu)）兩部分。卷煙機的劈刀機構(gòu)是一個獨立的組件，由支撐管、傳動齒輪、傳動軸、劈刀盤和刷絲輪等組成。工作時，利用兩只旋轉(zhuǎn)方向相反的劈刀盤對運行中的煙絲束進行削剪，并由刷絲輪將削下的煙絲刷掉。經(jīng)過劈刀機構(gòu)的上升或下降，削減掉吸絲帶上多余的煙絲，從而控制煙絲條的重量。劈刀盤上有均勻分布的凹槽，設(shè)備運行中要求劈刀盤上的凹槽必須與煙條切割刀片保持同步，使刀片切割在劈刀盤凹槽所作用煙條部位的中間，保證生產(chǎn)出來的煙條在單長煙支的兩端切口處均有緊頭部分，以減少空松煙支的產(chǎn)生。

2 劈刀機構(gòu)的傳動分析

2.1 劈刀機構(gòu)的驅(qū)動裝置

劈刀機構(gòu)傳動系統(tǒng)的動力源來自卷煙機主電機。經(jīng)過一系列的齒輪和同步帶的傳遞，將動力傳至吸風室齒輪箱，再由吸風室齒輪箱背后輸出軸上面的帶輪，通過齒形帶帶動劈刀機構(gòu)的驅(qū)動帶輪，驅(qū)動帶輪通過傳動軸最終將動力傳遞至平準器齒輪箱，從而帶動劈刀盤和刷絲輪工作。

2.2 彈性聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)

在驅(qū)動帶輪至平準器齒輪箱的傳動過程中，生產(chǎn)廠家采用了一個螺旋槽型彈性聯(lián)軸器。該聯(lián)軸器外徑25.4 mm、長39 mm、前端內(nèi)徑8 mm，通過平鍵與軸相連，后端外表面有一個銷釘槽，用來連接保險銷，后端內(nèi)孔中有一個內(nèi)徑6 mm的銅套，與軸相連。在彈性聯(lián)軸器的外圓有一條連續(xù)多圈的長切槽，使聯(lián)軸器具有優(yōu)良的彈性，可以承受多種偏差，特別適合用于糾正偏角和軸向偏差。

2.3 剪切式保險銷

2.3.1 剪切式保險銷的作用

在實際生產(chǎn)中，被劈刀盤削減下的吸絲帶上多余的煙絲，有時會在螺旋回絲裝置中累積，形成堵塞，導(dǎo)致劈刀機構(gòu)轉(zhuǎn)動受阻。為了保護劈刀機構(gòu)和彈性聯(lián)軸器不被損壞，在驅(qū)動帶輪軸至彈性聯(lián)軸器之間，采用了剪切式保險銷結(jié)構(gòu)。保險銷通過連接盤插在彈性聯(lián)軸器的銷釘槽中，連接盤的后端通過平鍵與驅(qū)動帶輪軸相連接，并用螺釘緊固；前端通過保險銷與彈性聯(lián)軸器連在一起，將動力通過聯(lián)軸器傳給劈刀機構(gòu)。當劈刀機構(gòu)的轉(zhuǎn)動出現(xiàn)過載時，保險銷須被及時切斷，斷開驅(qū)動帶輪與劈刀機構(gòu)之間的動力連接，使彈性聯(lián)軸器和劈刀機構(gòu)停止轉(zhuǎn)動，避免受到損壞。

2.3.2 剪切式保險銷的結(jié)構(gòu)缺陷

（1）保險裝置采用的剪切式保險銷結(jié)構(gòu)，在銷釘端部與剪切槽之間存在一定的間隙。隨著設(shè)備的運行，保險銷與剪切槽之間的接觸面會產(chǎn)生微動磨損以及表面疲勞磨損。由于受加工材料的影響，銷釘端部的接觸面磨損很快，使保險銷與剪切槽間的間隙隨著使用時間而逐漸增大。實踐表明，當保險銷與剪切槽的間隙＞0.5 mm時，經(jīng)傳動鏈放大后，劈刀機構(gòu)在轉(zhuǎn)動中就會產(chǎn)生較大曠量，造成劈刀圓盤在削減吸絲帶上的煙絲時，圓盤上的凹槽無法準確定位，煙支的緊頭位置無法得到保證，表現(xiàn)為煙支端部空松現(xiàn)象增加、重量標偏不穩(wěn)定等。為了減少這些質(zhì)量缺陷，操作人員平均每兩天就要更換一個保險銷（圖1），增加了停機工時及勞動強度。

（2）剪切式保險銷結(jié)構(gòu)存在缺陷。在實際生產(chǎn)中，時常出現(xiàn)保險銷在設(shè)備運行過程中突然斷裂，或者是當劈刀機構(gòu)轉(zhuǎn)動受阻、負載過大時，保險銷卻不能被及時切斷，而是繼續(xù)帶動彈性聯(lián)軸器及劈刀機構(gòu)轉(zhuǎn)動，造成聯(lián)軸器或劈刀機構(gòu)損壞。劈刀機構(gòu)與彈性聯(lián)軸器的價格昂貴（劈刀組件每套價格18 000余元，彈性聯(lián)軸器每個3300余元），并且劈刀機構(gòu)的更換過程比較麻煩，這樣不僅增加了設(shè)備維修費用，也影響了設(shè)備效能的發(fā)揮。

圖1 磨損后的保險銷

3 劈刀保險裝置的改進

3.1 保險銷磨損過快及過載保護失效原因分析

剪切式保險銷不可避免地存在銷釘槽與銷釘之間的接觸磨損，銷釘?shù)挠捕纫∮阡N釘槽的硬度，這種剛性接觸是造成銷釘磨損過快的主要因素。另一方面銷釘材料質(zhì)量低劣，是造成過載保護失效的直接原因。

3.2 滾珠式過載保護裝置的設(shè)計思路

根據(jù)滾珠安全離合器工作原理，主動輪傳遞過來的轉(zhuǎn)矩通過滾珠、從動盤、外套筒傳給從動軸，當轉(zhuǎn)矩超過許用值時，彈簧被過大的軸向分力壓縮，滾珠隨彈簧向后移動，滑出滾槽，主動輪空轉(zhuǎn)，從動盤及從動軸停轉(zhuǎn)。當載荷恢復(fù)正常時，即可重新傳遞轉(zhuǎn)矩。設(shè)想將剪切式保險銷改成滾珠式過載保護裝置。使用彈簧與滾珠的配合來代替剪切式保險銷，利用彈性壓力帶動劈刀機構(gòu)工作，這樣就可從根本上解決經(jīng)常更換保險銷的問題。通過調(diào)整彈簧對滾珠的壓力，可調(diào)節(jié)保護裝置所承受的載荷，達到切實保護劈刀機構(gòu)和彈性聯(lián)軸器的目的。

3.3 滾珠式過載保護裝置設(shè)計方案

3.3.1 更換彈性聯(lián)軸器

原來的彈性聯(lián)軸器（圖2）通過保險銷與連接盤相連，再通過連接盤與劈刀機構(gòu)的驅(qū)動帶輪軸連在一起，接收主傳動傳遞過來的動力。改進后的滾珠式過載保護裝置安裝在傳動帶輪處，將原來的連接盤及保險銷拆除不用，彈性聯(lián)軸器外表面的銷釘槽也不再需要。由于傳動帶輪軸和劈刀箱體傳動軸之間的距離沒有變化，所以聯(lián)軸器的長度不用改變。根據(jù)需要，重新選擇另一規(guī)格彈性聯(lián)軸器（圖3），其前后端內(nèi)孔直徑相同，并且后端內(nèi)孔和前端同樣加工有一個2 mm的鍵槽，用這種彈性聯(lián)軸器可以通過平鍵直接把驅(qū)動帶輪軸和劈刀箱體傳動軸連在一起。

圖2 改進前的彈性聯(lián)軸器

圖3 改進后的彈性聯(lián)軸器

3.3.2 改進傳動軸

原劈刀機構(gòu)的驅(qū)動帶輪軸前端直徑為6 mm，因重新選擇了彈性聯(lián)軸器，故將傳動軸的前端加工成8 mm并帶鍵槽與聯(lián)軸器配合連接。改進前的傳動軸后端僅安裝一個帶輪，改進后需加裝滾珠過載保護裝置，為此將傳動軸的后端加長。

3.3.3 加裝連接盤

把劈刀機構(gòu)驅(qū)動帶輪的后擋邊拆下，加工一個連接盤來代替擋邊。在改進后的滾珠式過載保護裝置結(jié)構(gòu)中，連接盤是增加的主要零件之一。在連接盤的中心線上加工一條90°V形槽，作為滾珠的定位槽，槽口寬10 mm，便于滾珠的定位和滑出。連接盤通過3個M4 mm螺釘固定在傳動帶輪上，隨同帶輪一起旋轉(zhuǎn)。

3.3.4 設(shè)計連接體

連接體是帶動傳動軸旋轉(zhuǎn)，承裝滾珠、彈簧和壓緊螺釘?shù)牟考▓D4）。在連接體中心線上有2個對稱布置的銷孔，用來承裝滾珠、彈簧和壓緊螺釘。銷孔深度32 mm，上半部攻有螺紋，用來調(diào)節(jié)彈簧壓緊螺釘?shù)男肷疃龋哉{(diào)整彈簧對滾珠的壓力，使?jié)L珠與連接盤的V形槽可以順利地嚙合與脫開。連接體通過內(nèi)孔鍵槽，與驅(qū)動帶輪的傳動軸相連，將動力通過傳動軸傳遞給彈性聯(lián)軸器，帶動劈刀機構(gòu)正常轉(zhuǎn)動。

3.4 過載保護裝置的組裝實施

改進后的滾珠式過載保護裝置（圖5）組裝順序：首先用3個M4 mm螺釘將連接盤鎖緊在帶輪上，并將帶輪組件裝到傳動軸上面；然后再使用螺栓將連接體緊固安裝在傳動軸上，并保證連接體與連接盤之間的間隙在0.5～0.7 mm，二者單獨轉(zhuǎn)動時不產(chǎn)生干涉；最后將滾珠、彈簧和壓緊螺釘逐一裝入連接體的銷孔中，對彈簧的壓力進行正確調(diào)節(jié)。

圖4 連接體

圖5 安裝后的過載保護裝置

3.5 確定過載保護裝置中彈簧對滾珠的壓力

3.5.1 計算原始設(shè)計保險銷的限定載荷

改進前保險銷的材料是ZL104，根據(jù)保險銷的尺寸，可以計算出原保險銷最初設(shè)計所能承受的最大負載。ZL104的抗剪強度為80 MPa，保險銷被剪切面的半徑為1.2 mm。根據(jù)F=Sτ，其中，F(xiàn)為剪切力，S是被剪切面的面積，τ抗剪強度，可得出原始保險銷設(shè)計能夠承受的剪切力F=361.7 N。由于保險銷隨聯(lián)軸器做圓周運動，因此可根據(jù)聯(lián)軸器的直徑（25.4 mm），計算出原保險銷設(shè)計所能承受的轉(zhuǎn)矩M=4.6 N·m。以前的保險銷出現(xiàn)過過載保護失效的現(xiàn)象，為確保改進后的過載保護裝置在使用中安全可靠，并參照PASSIM劈刀機構(gòu)的驅(qū)動電機參數(shù)（4.1 N·m），最后確定把滾珠式過載保護裝置的限定載荷設(shè)定為4 N·m。

3.5.2 滾珠在V形槽中的受力分析

當設(shè)備正常運行時，滾珠被彈簧壓緊在V形槽中，使連接體隨連接盤一起轉(zhuǎn)動，滾珠在V形槽中的受力分析如圖6所示。V形槽為90°角，根據(jù)力的分解與合成，可將F2分解為2個分力，即滾珠所受徑向力F1和滾珠所受軸向力F3，而彈簧對滾珠的壓力F3ˊ的大小應(yīng)與F3的大小相等。由于滾珠隨V形槽做的是圓周運動，因此F1即為滾珠所做圓周的切線方向力，F(xiàn)1=T/RZ，F(xiàn)3=F3ˊ=F1cosα，其中，T為驅(qū)動帶輪軸所傳遞的轉(zhuǎn)矩，R是滾珠所做圓周運動的半徑，Z為圓周上的滾珠數(shù)量。

3.5.3 計算滾珠所需彈簧施加壓力的大小

上文已確定過載保護裝置的限定載荷為4 N·m，已知滾珠數(shù)量為2個，所做圓周運動的直徑64 mm，據(jù)此可計算出F1=62.5 N。V形槽呈90°，故F3=F3ˊ=F1×cosα=62.5 N，即彈簧對滾珠的壓力應(yīng)設(shè)定為62.5 N。

3.5.4 確定彈簧合適的壓縮量

采用的彈簧規(guī)格為外徑10 mm，線徑1.6 mm，長23 mm，總?cè)?shù)7圈，鋼絲材料為琴鋼絲。計算出彈簧常數(shù)K=Gd4/8Dm3×Nc=21.67 N/mm。已知需要彈簧施加的壓力F為62.5 N，可根據(jù)X=F/K，計算出彈簧的壓縮量X=2.88 mm。壓緊螺釘?shù)穆菥嗍?.25 mm，壓緊螺釘?shù)男肷疃葢?yīng)為2.3圈，即從壓緊螺釘開始對彈簧施壓算起，應(yīng)將螺釘再向下旋入2.3圈。為確保壓緊螺釘對彈簧能夠施以正確的壓力，特用力矩扳手對過載保護裝置進行多次試驗，以確保使用效果。

圖6 滾珠在V形槽中的受力分析

3.6 滾珠式過載保護裝置的工作原理

設(shè)備正常運行時，連接盤與驅(qū)動帶輪一體旋轉(zhuǎn)，連接體上的滾珠在彈簧的作用下，壓嵌在連接盤的V形槽內(nèi)，與V形槽緊密連接。連接體隨同連接盤和驅(qū)動帶輪一起轉(zhuǎn)動，并通過平鍵直接將動力傳遞給傳動軸，傳動軸又通過彈性聯(lián)軸器帶動劈刀機構(gòu)正常轉(zhuǎn)動。當劈刀機構(gòu)轉(zhuǎn)動受阻、發(fā)生過載時，滾珠就會克服彈簧的壓力，滑出V形槽，連接體與連接盤脫離，和帶輪傳遞過來的主傳動完全脫開，連接體與傳動軸一起停止轉(zhuǎn)動，使劈刀機構(gòu)停止工作。在消除過載之后，滾珠重新被彈簧壓緊在V形槽內(nèi)，對劈刀機構(gòu)的傳動又恢復(fù)正常。

4 改進效果

（1）顯著改善了劈刀的工藝功能。改進后徹底消除了因保險銷磨損而造成劈刀機構(gòu)傳動間隙過大的現(xiàn)象，提高了劈刀盤凹槽形成煙支正確緊頭位置的穩(wěn)定性，煙支端部空松、重量標偏不穩(wěn)定等現(xiàn)象得到明顯改善。

（2）徹底解決了操作工需經(jīng)常更換保險銷的問題，減少了勞動強度與無謂的停機時間。

（3）設(shè)備維修費用降低，有效作業(yè)率提高。通過調(diào)整彈簧對滾珠的壓力，可適時改變過載保護裝置的限定載荷，切實保護劈刀機構(gòu)和彈性聯(lián)軸器不受損害。從2012年9月安裝之后，至今沒有出現(xiàn)過劈刀機構(gòu)損壞事故。

5 結(jié)語

滾珠式過載保護裝置可確保傳遞的載荷不超過限定值，當出現(xiàn)過載現(xiàn)象時，可迅速斷開傳動，反應(yīng)及時、安全可靠。由于限定載荷的大小可以調(diào)整，工作精度較高，應(yīng)用靈活方便。

［1］溫邦椿.機械設(shè)計手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2010.

［2］朱孝錄.機械傳動設(shè)計手冊［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007.