HCF-M 裝盤機轉角輸送段鏈傳動系統的改進

劉瀾波，韓艷軍，陳 波，李華明，劉荊馨

1. 湖南中煙工業有限責任公司長沙卷煙廠，長沙市勞動中路426 號 410007

2. 西安理工大學印刷包裝與數字媒體學院，西安市碑林區金花南路5 號 710048

COMFLEX-MV 是從德國HAUNI 公司引進的煙支貯存輸送系統[1]，主要由HCF-M 裝盤機、MAGOMAT-M 卸盤機和RTS-V 輸送裝置組成，煙支輸送速度高達16 000 支/min。由于HCF-M 裝盤機轉角輸送段的煙支輸送鏈排驅動裝置是一個典型的多從動軸單驅動鏈傳動[2]，轉角輸送段在運行一段時間后容易出現鏈條卡死、導輪過載損壞等故障[3]，影響煙支輸送效率。針對鏈傳動的使用問題，殷玉楓[4]提出了多從動軸單驅動鏈傳動的滑動摩擦功率概念并給出其計算公式，通過分析滾子鏈磨損條件得到了多從動軸滾子鏈傳動使用壽命計算公式；王建軍等[5]設計了一種適用于長鏈傳動系統的雙電機驅動控制系統；岳新生等[6]和楊志剛等[7]分別對三軸鏈傳動的設計步驟及多從動輪鏈傳動的設計內容進行了分析闡述。但對于根據實際情況將一級鏈傳動優化為多級鏈傳動的改進研究則鮮見報道。為此，采用組合式雙聯鏈輪技術對HCF-M 裝盤機轉角輸送段鏈傳動系統進行改進，將一級鏈傳動改進為兩級鏈傳動，以期簡化鏈傳動系統結構，降低設備故障率，提高機組運行穩定性。

1 問題分析

HCF-M 裝盤機轉角輸送段作為B 輸入組件中的一個模塊，通過與檢視段模塊聯動，將PROTOS-M5 卷接機組低位輸出的煙支提升到HCF-M 料庫中，見圖1。檢視段與轉角輸送段分別由單獨的AMK 伺服電機控制[8]，當煙支流到達光傳感器B10 時，電機M10 啟動檢視段；當煙支流到達光傳感器B11 時，電機M11 啟動上行的轉角輸送段；當煙支流上升到光傳感器B13 時，上行轉角輸送段的運行速度增加。

圖1 B 輸入組件電氣控制原理圖Fig.1 Principle of electrical control of B input component

轉角輸送段是由5 根輸送鏈排組合構成的“S”形輸送通道，每根輸送鏈排由一個鏈輪驅動，5 個鏈輪通過一條B 系列鏈條傳動，鏈條標準參數為06B-1，鏈節數LP為384 節[9]，整個鏈傳動由AMK 伺服電機M11 驅動。鏈輪Z1 安裝在電機M11 軸上，電機M11 順時針方向旋轉。由圖2 可見，Z1 帶動Z3、Z4 順時針方向旋轉，進而帶動Z2、Z5、Z6 逆時針方向旋轉，保證輸送鏈排運動方向滿足煙支所要求的輸送方向。此外，“S”形輸送通道為通透結構，鏈條布置時必須繞開“S”形通道的通透區域，才能保證操作安全性。分析可知，造成鏈傳動系統故障頻繁的主要原因是多從動軸鏈傳動系統中包含有3 個鏈輪反向傳動，因增加多個導輪改變鏈條路徑，導致鏈傳動結構復雜[10]，鏈條長度達3 657.6 mm，造成帶擋邊導輪磨損，定位精度誤差增大，進而出現鏈傳動卡死現象。

圖2 改進前機構運動簡圖Fig.2 Kinematic sketch of mechanism before improvement

2 改進方法

采用組合式雙聯鏈輪技術對鏈傳動系統進行改進，在Z3 鏈輪處增加雙聯鏈輪Z7 來帶動鏈輪Z4，在Z6 鏈輪處增加雙聯鏈輪Z8 來帶動鏈輪Z5，改進后反向傳動的鏈輪數由3 個減少為1 個，導輪數由8 個減少為3 個，主傳動鏈條鏈節數由384 節縮短到188 節，主傳動鏈條長度由3.7 m 縮短到1.8 m，機構運動簡圖見圖3。

圖3 改進后機構運動簡圖Fig.3 Kinematic sketch of mechanism after improvement

2.1 M11 驅動電機反向設計

由圖3 可見，如果M11 驅動電機仍按原方向旋轉，各煙支輸送鏈排則會反向運動。為此，改進后通過工控機修改電機參數將電機換向，即將HCF-M 的機器參數“B 輸入段向左旋轉”由默認“關閉”修改為“接通”，實現M11 驅動電機轉向切換，以保證5根從動軸旋轉方向和傳動比保持不變。

2.2 雙聯鏈傳動設計

根據Z3 與Z4、Z5 與Z6 兩對相鄰鏈輪轉向一致的特點，可以將Z4 和Z5 通過雙聯鏈輪進行傳動，并將原來的長傳動鏈分解成3 個短傳動鏈，故需要在Z3 和Z6 鏈輪的芯軸上再安裝一個相同齒數的鏈輪。如果將新增鏈輪安裝在Z3 和Z6 鏈輪外側，則需要對Z3、Z4、Z5、Z6 的4 根芯軸重新設計和更換，改進成本和工作量較大，因此將新增鏈輪安裝在Z3 和Z6 鏈輪內側較合適。為保證改進前后鏈傳動的鏈條工作面不變，以軸的裝配臺階為基準，鏈輪內側到裝配臺階的距離為12 mm。圖4可見，鏈輪內側到內六角圓柱頭螺釘之間的距離a為16 mm，06B 鏈條銷軸寬度為13.5 mm，則內側鏈條銷軸端與外側鏈輪的間隙只有2.5 mm。由于新增鏈輪厚度約為6 mm，可得鏈條銷軸端伸出鏈輪的寬度為（13.5-6）/2=3.75 mm。為避免內、外側鏈條發生干涉，距離a 必須大于13.5+3.75=17.25 mm。

圖4 改進前轉角輸送段鏈傳動結構圖Fig.4 Structure of chain drive at turning section before improvement

為增大內側鏈輪的安裝空間，在保證外球面軸承[11]連接強度的前提下，將圖4 中的內六角圓柱頭螺釘和普通墊圈改進為沉頭螺釘和錐面墊圈，見圖5。改進后外側鏈輪與沉頭螺釘的間距b為23 mm，內側鏈輪與沉頭螺釘的間距c 為8 mm，保證了內側鏈輪的安裝空間。此外，將連接法蘭與內側鏈輪設計為整體結構，即采用帶圓臺的鏈輪。改進后外側鏈輪相對外球面軸承的基準不變，內側鏈輪與外球面軸承接觸面到圓臺平面的距離為12 mm。

圖5 改進后單鏈輪傳動結構圖Fig.5 Structure of single sprocket drive after improvement

2.3 Z4、Z5 鏈輪傳動設計

由圖3 可見，Z4、Z5 分別通過Z7、Z8 傳動，因此Z4、Z5 在傳動軸上的安裝位置需做相應改變，具體設計參數與雙聯鏈傳動設計類似，即將圖4中內六角圓柱頭螺釘和普通墊圈改進為沉頭螺釘和錐面墊圈，并將連接法蘭與鏈輪設計成整體結構，見圖6。為保證鏈輪回轉平面在同一垂直面上，內側鏈輪與沉頭螺釘的間距c 為8 mm。

2.4 鏈節數計算

鏈節數LP的計算公式[12]為：

式中：LP為鏈節數；a 為兩鏈輪中心距，mm；p為鏈節節距，mm；z1為鏈輪Z1 齒數；z2為鏈輪Z2齒數。

經現場測量，Z4 與Z7 間的中心距a=265 mm，Z4 與Z7 的齒數分別為23 和31，鏈號06B 的節距p=9.525 mm，故Z4 與Z7 間的鏈節數LP=2a/p+（z7+z4）/2+[（z7-z4）/2π]2p/a=82.69。為保證鏈條松邊有一定的安裝垂度[13]，避免過度使用鏈節，LP取偶數為84 節。同理得到Z5 與Z8 間的鏈節數為78 節，主傳動鏈的鏈節數為188 節。

圖6 改進后Z4、Z5 鏈輪傳動結構圖Fig.6 Structure of Z4-Z5 sprocket drive after improvement

3 改進效果

3.1 試驗設計

材料：“白沙（精品）”牌卷煙（由湖南中煙工業有限責任公司長沙卷煙廠提供）。

設備：6 臺PROTOS-M5 卷接機組對接的HCF-M 裝盤機（德國HAUNI 公司）。

方法：改進后6 臺PROTOS-M5 卷接機組對接的HCF-M 裝盤機分別更換4 個新鏈輪，其他鏈輪、導輪和鏈條仍采用原件。通過MES 生產管理信息系統，統計改進前后各12 個月轉角輸送段鏈傳動系統的運行情況。

3.2 數據分析

由表1 可見，改進前6 臺機組設備多次出現轉角輸送段鏈傳動故障，每臺設備每年故障次數平均為4.7 次，維修時間平均為346.5 min；改進后6臺設備均運行穩定，未出現任何轉角輸送段鏈傳動故障。在不改變整個鏈傳動系統各從動軸同步關系的前提下，有效提高了鏈傳動穩定性。

表1 改進前后轉角輸送段鏈傳動系統故障統計Tab.1 Statistics of failures of chain drive system at turning section before and after improvement

4 結論

采用組合式雙聯鏈輪技術對HCF-M 裝盤機轉角輸送段鏈傳動系統進行了改進，在不改變鏈傳動系統各從動軸同步關系的前提下，主傳動鏈條鏈節數縮短196 節，主傳動鏈條長度縮短1.9 m，反向傳動鏈輪數減少2 個，鏈條導輪數減少5 個，降低了鏈條磨損造成的累計誤差，提高了鏈傳動穩定性。以長沙卷煙廠生產的“白沙（精品）”牌卷煙為對象進行測試，結果表明：改進后HCF-M 裝盤機鏈傳動系統一年內故障次數減少4.7 次/臺，維修時間縮短346.5 min/臺，提高了卷接設備生產效率。該技術可在COMFLEX 系列、S90、YF17 等采用鏈傳動技術的煙支貯存輸送系統中推廣應用。