貯柜耙料機構的設計

武占云，楊 彬，周玉生*，郭中艷

1.秦皇島煙草機械有限責任公司，河北省秦皇島市開發區龍海道67 號 066318

2.中國煙草總公司職工進修學院，鄭州市鑫苑路7 號 450011

貯柜是煙草制絲生產線中的主要存儲設備［1-2］，使用范圍廣、數量多。現有貯柜在出料口處設置有撥料裝置［3］，通過撥料輥的轉動使物料松散［4］，達到均勻出料的目的，提高物料流量的穩定性。但由于貯柜結構存在設計缺陷，在出料過程中容易對煙絲產生造碎，增加煙絲損耗。目前，針對貯柜的撥料裝置已有較多研究和改進，鄭玉忠等［5］和侯加文等［6］通過調整撥料輥耙釘數量和位置、優化底帶運行速度和撥料輥轉速等措施，降低了煙絲碎絲率，提高了卷煙內在質量；劉亦堅等［7］采用柔性出料裝置代替撥絲輥，將打擊式出料改為柔性出料，同時將配絲裝置改為離心式勻絲圓盤，提高了煙絲純凈度，降低了煙絲造碎率；吳長慶［8］設計了一種新型伸縮撥叉式撥料裝置，提高了穿孔機組的運行效率。但上述改進仍未能有效解決貯柜出料均勻性差及煙絲造碎率高等問題。為此，基于齒輪副傳動技術設計了一種耙料機構，通過改變耙釘撥料方向，減輕對物料的沖擊，以期提高貯柜出料均勻性，改善卷煙產品質量。

1 問題分析

在貯柜出料過程中，物料與底部輸送帶一起向出口方向移動，物料堆積高度約為1 m。為及時有效地處理物料中出現的結團煙絲，在貯柜出口處安裝有3 組撥料裝置。改進前撥料裝置主要由撥料輥（1）、撥釘（2）、減速機（3）、架體（4）等部件組成，見圖1。撥料輥（1）沿圓周方向均布有多個撥釘（2），貯柜出料時撥料輥（1）由減速機（3）驅動旋轉，撥釘（2）依次擊打物料并將物料向上撥出，由于干燥處理后的葉絲和梗絲含水率較低，撥釘多次對物料進行沖擊和拍打會使物料造碎嚴重。

圖1 改進前撥料裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of picker roller before modification

2 系統設計

改進后貯柜耙料機構主要由耙釘軸（1）、旋轉圓盤（2）、側板（3）、驅動裝置（4）等部件組成，見圖2。生產中物料在貯柜底帶作用下向出料口移動，在驅動裝置（4）的驅動下，旋轉圓盤（2）帶動耙釘軸（1）圍繞驅動裝置（4）的中心軸轉動，耙釘軸（1）上的耙釘成一定角度插入物料中，隨著耙釘軸（1）的轉動夾帶物料下落，松散結團煙絲，實現均勻出料。

2.1 耙釘軸

圖2 改進后耙料機構結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of structure of raking mechanism after modification

由圖3 可見，耙釘軸的軸（1）上固定有一排L型耙釘（2），耙釘（2）隨軸（1）一起轉動，每旋轉1周撥動1 次物料。生產中耙釘（2）成一定角度插入物料，隨著旋轉圓盤轉動，平行移動的耙釘夾帶物料下落。耙釘（2）與物料接觸方式由改進前的線接觸轉變為點接觸，降低了物料受力強度，減少了煙絲造碎。

圖3 耙釘軸結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of structure of spiker shaft

2.2 驅動裝置

2.2.1 工作原理

驅動裝置主要為整個機構提供動力及傳動，包括減速機（1）、中心軸（2）、星齒輪（3）、太陽輪（4）和惰齒輪（5）等部件，見圖4。減速機（1）通過中心軸（2）連接旋轉圓盤，太陽輪（4）安裝在側板上，惰齒輪（5）安裝在旋轉圓盤上，與太陽輪（4）和星齒輪（3）相嚙合；耙釘軸與星齒輪（3）剛性連接，并與旋轉圓盤通過軸承連接。生產中減速機（1）驅動中心軸（2）帶動旋轉圓盤同步轉動，固定在貯柜側板上的太陽輪（4）不產生轉動，惰齒輪（5）和星齒輪（3）隨旋轉圓盤公轉的同時，在太陽輪（4）的作用下產生自轉；耙釘軸在圍繞中心軸（2）公轉的同時進行自轉，保證耙釘伸出方向及彎曲方向不變［9］。

圖4 驅動裝置結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of structure of driving mechanism

2.2.2 確定傳動比

設太陽輪齒數為Z1，惰齒輪齒數為Z2，星齒輪齒數為Z3，則Z1、Z2、Z3的關系為Z1=k×Z2，Z2=p×Z3。由于惰齒輪自轉主要起傳遞扭矩的作用，所以k 為大于0 的任意值，考慮到受力因素和安裝空間，取k=1。根據現場情況，耙料機構每旋轉1 周（即中心軸和旋轉圓盤旋轉1 周），要求耙釘撥動物料1 次，故取p=1（根據物料接觸次數，p 值也可取2，3，…）。當旋轉圓盤旋轉n1周時，惰齒輪自轉周數n2=Z1/Z2×n1=kn1，星齒輪自轉周數n3=Z2/Z3×n2=pn2。由圖4 可見，當減速機旋轉1 周時，4 個惰齒輪和4個星齒輪也旋轉1 周，從而使耙釘軸繞中心軸公轉和自轉均與中心軸同步，確保每個耙釘彎鉤與物料接觸狀態保持一致。

2.3 結構驗證和力學分析

2.3.1 機構運動關系

機構運動簡圖表明了各零部件的運動關系和傳動原理，見圖5。減速機（1）包含一個轉動副，惰齒輪（7）自轉形成一個轉動副，耙釘軸（4）與左右旋轉圓盤（3，5）間形成一個轉動副，星齒輪（6）、惰齒輪（7）、太陽輪（8）間形成兩個高副。

圖5 耙料機構運動簡圖Fig.5 Movement diagram of raking mechanism

2.3.2 機構自由度驗證

機構自由度就是機構具有確定運動時所必須給定的獨立運動參數的數目，機構具有確定運動的條件是機構的原動件數等于機構的自由度數［10］。

機構自由度計算公式［11］為：

F=3n-2pL-pH

式中：F—機構自由度；n—活動構件數；pL—平面運動低副；pH—平面運動高副。

根據圖5 計算可得，耙釘機構自由度F=3n-2pL-pH=3×3-2×3-2=1，F＞0且與原動件數相等，故該機構各構件間的相對運動是確定的。

2.3.3 運動軌跡分析

由圖6 可見，惰齒輪中心軸在旋轉圓盤的驅動下沿軌跡運行，因惰齒輪與太陽輪嚙合而進行自轉；同樣星齒輪中心軸在旋轉圓盤的驅動下沿軌跡運行，因星齒輪與惰齒輪嚙合而進行自轉。由2.2.2 節分析可知Z1=Z2=Z3，所以當惰齒輪圍繞太陽輪旋轉1 周時，星齒輪也自轉1 周，星齒輪上a、b、c、d 點的相對位置保持不變，在實現耙料功能的同時，保證物料順利落下。

圖6 運動軌跡Fig.6 Movement trajectory

2.3.4 物料受力分析

改進前撥料裝置作用在物料上的合力方向隨撥料輥的轉動而改變，但其大小不變，見圖7。水平分力在物料與撥釘接觸到物料與撥料輥中心線平齊的過程中逐漸減小，當超過撥料輥中心線時，水平分力方向改變并逐漸增大；垂直分力在物料與撥釘接觸到物料與撥料輥中心線平齊的過程中逐漸增大，當超過撥料輥中心線時，垂直分力方向不變但逐漸減小。在此過程中大部分物料被撥出，小部分物料被撥料輥撥起后落下，在下落過程中與撥釘再次接觸，物料因反復受力產生煙絲造碎。

圖7 改進前撥料裝置的物料受力分析Fig.7 Mechanical analysis of tobacco in picker roller before modification

改進后耙料機構作用在物料上的合力、水平分力和垂直分力的方向和大小均不變，見圖8。機構旋轉方向與物料落料方向保持一致，避免耙釘與物料多次接觸對煙絲造碎產生影響。由于物料受力在整個耙料過程中恒定，故物料受力大小可控，進而達到均勻出料的目的。

圖8 改進后耙料機構的物料受力分析Fig.8 Mechanical analysis of tobacco in raking mechanism after modification

3 應用效果

3.1 試驗設計

材料：“好貓”牌卷煙配套煙絲（由陜西中煙工業有限責任公司澄城卷煙廠提供）。

設備：GPT28D 貯柜1 臺（秦皇島煙草機械有限責任公司）。

方法：貯柜出料裝置分別采用撥料裝置和耙料機構，選用同一配方3 批次煙絲進行對比試驗，統計改進前后各批次出料整絲率，取平均值。

3.2 數據分析

由表1 可知，采用耙料機構出料整絲率為81.32%，采用撥料裝置出料整絲率為80.81%，整絲率提高0.51 百分點，有效減少了煙絲造碎，降低了物料損耗。

表1 撥料裝置和耙料機構出料整絲率對比Tab.1 Comparison of integral strand proportion in tobacco discharged by picker roller and raking mechanism （%）

4 結論

采用齒輪副傳動技術設計了一種貯柜耙料機構，通過改變耙釘撥料方向，使耙釘以一定角度插入物料中，隨著耙釘軸轉動撥出物料，松散結團煙絲，實現均勻出料。以澄城卷煙廠生產的“好貓”

牌卷煙配套煙絲為對象進行測試，結果表明：與撥料裝置相比，采用耙料機構的出料整絲率提高0.51 百分點，且物料受力大小可控，降低了物料加工強度，減少了煙絲造碎。該機構還可應用于細支煙生產線中，將耙釘制作成鋒利鐮刀狀，在撥動煙絲的同時對長煙絲進行定長切割，從而達到控制煙絲長度的目的。