GDX1 包裝機組煙包輸出轉盤變速系統的改進

李正偉，李功勛，關宏量

1. 深圳煙草工業有限責任公司，廣東省深圳市龍華新區清寧路2 號 518109

2. 武漢重型機床集團有限公司，武漢市東湖新技術開發區佛祖嶺一路3 號 430000

GDX1 包裝機組是我國早期從意大利GD 公司引進的卷煙包裝設備，最大生產速度400 包/min，是國內卷煙生產企業的主流機型。小盒煙包（簡稱煙包）輸出轉盤是X1 軟盒包裝機的重要組成部分，而變速系統是保障煙包輸出速度的核心元件，其運轉可靠性對于提升煙包質量和降低設備故障率具有關鍵作用。但在實際生產中煙包輸出轉盤變速系統的故障率較高，主要表現為銷軸磨損和偏心軸磨損等。近年來對GDX1 包裝機組已進行了大量技術改造，孫靖倚[1]和張瑋[2]對商標紙上膠機構的膠輥及膠輥軸進行了優化改進，提升了上膠穩定性；劉賀陽等[3]采用可編程自動控制技術設計了鋁箔紙自動拼接系統，解決了手動拼接操作復雜、勞動強度大等問題；周國良等[4]采用氣環隔離結構對往復直動軸密封裝置進行了改進，解決了往復直動軸的滲油問題；鄧永祥等[5]采用齒形吸風帶嚙合傳動技術進行商標紙輸送，解決了加厚商標紙在輸送中存在的歪斜或輸送不到位等問題。但對于煙包輸出轉盤變速系統的改進則鮮見報道。為此，通過分析變速原理及其運動特性，對該變速系統進行改進，旨在降低設備故障率，提高包裝機組運行效率。

1 問題分析

1.1 變速原理

煙包輸出轉盤主要用于輸送煙包，由中心軸、太陽輪、行星輪、行星輪支架、變速盤、推煙轉盤等部件組成[6]，見圖1。其中，太陽輪、行星輪、行星輪支架、偏心軸、連桿和變速盤等組成煙包輸出轉盤的變速系統，作用是將中心軸轉速由恒速改為變速，實現由慢速到加速輸送煙包的目的。推煙轉盤和推煙板組成推煙執行機構，用于煙包的獲取和輸送。鋼球、彈簧、鋼珠盤和調節輪組成鋼球過載保護器，當通道發生撞煙故障時進行過載保護，避免零件損壞。

圖1 改進前煙包輸出轉盤變速系統結構圖Fig.1 Structure of variable-speed system of cigarette packet discharger turret before modification

實際生產中，太陽輪固定在機架上不動，中心軸帶動行星輪支架旋轉，行星輪安裝在行星輪支架上并與太陽輪嚙合，在中心軸的驅動下，行星輪繞著太陽輪公轉的同時繞其中心軸自轉。偏心軸安裝在行星輪的中心，在行星輪的驅動下轉動。變速盤與中心軸同心，其與偏心軸中間采用連桿進行連接，在偏心軸的驅動下，變速盤繞中心軸進行旋轉。偏心軸、連桿、變速盤和行星輪支架組成曲柄搖桿機構，偏心軸為曲柄，變速盤為搖桿，當偏心軸自轉和公轉時，變速盤的轉速發生周期性變化。

1.2 存在問題

煙包輸出轉盤的鋼球過載保護器、推煙轉盤安裝在變速盤上，變速盤的銷軸與偏心軸通過連桿連接，三者組成了兩個間隙鉸鏈連接，是整個裝置中最易磨損的部位。一旦銷軸磨損，會導致推煙板取出煙包的速度異常，并造成煙包內煙支發生變形、皺褶等問題。現場統計發現，煙包輸出轉盤變速系統的故障率較高，主要表現為銷軸、偏心軸、連桿、偏心軸軸承等磨損故障，其中銷軸的故障次數最多。造成變速系統故障的主要原因有：①變速系統在運行過程中，由于變速運動特性，導致變速盤在旋轉過程中的角速度出現快慢交替變化，進而使銷軸、偏心軸等受力零件在交變載荷的影響下，容易疲勞磨損；②變速系統采用的是單行星輪，所有受力零件都只有一個，負載大，零件易磨損，特別是煙包輸出轉盤發生撞煙故障時，受力零件會受到瞬時沖擊力而加快損壞。

2 改進方法

2.1 設計原理

由于銷軸與連桿之間采用間隙活動鉸鏈連接，含間隙鉸接副的磨損壽命計算公式[7-11]為：

式中：N 為間隙鉸接副的磨損壽命；α 為壽命系數；hmax為最大允許磨損值；H 為材料的布氏硬度；B 為軸承寬度；K 為磨損常數；kf為軸承耐壓系數與軸承額定載荷系數之比；β 為軸頸擺動幅度；W 為當量徑向外載荷。

式（1）表明，間隙鉸接副的磨損壽命與當量徑向外載荷W、最大允許磨損值hmax、布氏硬度H、軸頸擺動幅度β、軸承寬度B 以及軸承特性kf有關。其中，最大允許磨損值hmax和軸頸擺動幅度β 由煙包輸出轉盤的運動特性決定，無法隨意改變，而布氏硬度H 和軸承特性kf則與所用材料相關。因此，在不改變系統運動特性和材料的情況下，通過降低當量徑向外載荷W 和增加軸承寬度B 可以提升系統的磨損壽命。

2.2 系統結構

改進后煙包輸出轉盤變速系統主要由太陽輪、行星輪、偏心軸、中心軸、行星輪支架、變速盤等部件組成，見圖2。在原單行星輪對稱位置增加一個行星輪，將單行星輪改為雙行星輪；在系統中增加一組受力零件，包括偏心軸、連桿、銷軸和齒輪，以降低各受力零件的負載。在雙行星輪變速系統中，兩行星輪對稱分布，每個行星輪分別通過偏心軸、連桿和銷軸同時連接在同一個變速盤上。由于所有零件位置和尺寸與改進前完全相同，并不改變系統的變速特性，但受力零件數量增加，降低了單個零件承受的負載，進而減少零件磨損，延長變速系統的使用壽命。

圖2 改進后煙包輸出轉盤變速系統結構圖Fig.2 Structure of variable-speed system of cigarette packet discharger turret after modification

2.3 受力分析

圖3 雙行星輪煙包輸出轉盤變速系統受力分析Fig.3 Mechanical analysis of variable-speed system of cigarette packet discharger turret with dual planetary gear

根據煙包輸出轉盤的實際尺寸完成PROE 建模[12]并進行受力分析。設置變速系統輸入轉速為200 r/min。改進后變速系統的受力分析見圖3。可見，兩根偏心軸分別通過連桿作用于兩根銷軸，由于零件數量增加，偏心軸的受力F54 和及銷軸的受力F515 和都降低到改進前的一半。而銷軸間接作用于中心軸的作用力F15′1 和F151，以及中心軸對變速盤的反作用力因大小相等、方向相反而相互抵消，從而降低了中心軸和變速盤的負載。

2.3.1 中心軸的扭矩分析

改進后變速系統中增加了一組行星輪和受力零件，零件數量發生變化，為驗證系統改變對中心軸扭矩的影響，進行了中心軸扭矩分析。由圖4 可見，改進前后中心軸扭矩變化區間基本一致，說明改進后未增大中心軸負載，由此驗證了改進方案的可行性。

2.3.2 中心軸的受力分析

圖4 改進前后煙包輸出轉盤中心軸輸入扭矩對比Fig.4 Comparison of input torque of center shaft before and after modification

改進前為降低離心力對中心軸的影響，避免中心軸承受過大徑向力，采用增加配重塊的方式進行力學平衡。改進后雙行星輪在結構上反向對稱，系統在質量、速度等方面形成自平衡。為驗證系統改變對中心軸受力的影響，進行了中心軸受力分析。由圖5 可見，改進前中心軸受力變化較大，最大受力達到102 N，最小受力約為2 N，原機構的動平衡能力較差，中心軸受到較大的徑向力。改進后中心軸的受力變化小，最大受力不超過1.2 N，最小受力約為0.5 N，系統的動平衡性能得到改善，中心軸基本不承受徑向力。

圖5 改進前后煙包輸出轉盤中心軸受力對比圖Fig.5 Comparison of forces acting on central shaft before and after modification

2.3.3 銷軸的受力分析

銷軸作為連接執行機構與變速機構的關鍵部件，受力大且易損壞，為了驗證改進后銷軸負載變化情況，對銷軸進行了受力分析。由圖6 可見，改進前銷軸的正向最大受力約為95 N，負向最大受力約為-155 N；改進后銷軸的正向最大受力和負向最大受力分別降低到47 N 和-77 N，說明采用雙行星輪變速系統后，銷軸的最大和最小受力都降低到改進前的一半左右，受力情況得到改善。

圖6 改進前后煙包輸出轉盤銷軸受力對比圖Fig.6 Comparison of forces acting on pin shaft before and after modification

3 應用效果

3.1 試驗設計

材料：“好日子（珍品）”牌卷煙（深圳煙草工業有限責任公司提供）。

設備：GDX1 包裝機組（上海煙草機械有限責任公司）。

方法：將改進后的煙包輸出轉盤變速系統應用于2 臺GDX1 包裝機組，機組平均生產速度400包/min，按照兩班制8 h 運行，設備有效作業率在90%以上。分別統計改進前后2 臺包裝機組變速系統故障次數、維修間隔時間及維修費用等，測試時間為1 年。

3.2 數據分析

由表1 可見，改進后2 臺包裝機組每年的故障次數由4 次/臺降低到1 次/臺，降幅為75%，其中銷軸、偏心軸和連桿均未發生故障。由表2 可見，改進后變速系統的維修間隔時間由4.3 個月延長到11.6 個月，每年的維修費用由2 526.95 元/臺降低為191.15 元/臺，減輕了維修人員的工作強度，降低了生產成本。

表1 改進前后變速系統故障次數統計Tab.1 Failure frequency of variable-speed system before and after modification （次）

表2 改進前后變速系統維修間隔和費用統計Tab.2 Maintenance interval and cost of variable-system before and after modification

4 結論

采用雙行星輪自平衡技術設計了一種煙包輸出轉盤變速系統，通過降低變速系統各受力零件的負載，提升了系統穩定性，解決了GDX1 包裝機組煙包輸出轉盤變速系統故障率高的問題。以GDX1 包裝機組生產的“好日子（珍品）”牌卷煙為對象進行測試，結果表明：改進后煙包輸出轉盤變速系統運行穩定，故障次數減少3 次/臺，平均維修間隔時間延長7.3 個月，每年節約維修費用約2 335.8 元/臺，有效提升了設備有效作業率，降低了生產成本。