YB55 小盒透明紙包裝機煙包自動整理輸送裝置的設計與應用

張 號，李守成，呂小波，梁 勇，胡志恒，黃 魁，楊 冬

1. 紅云紅河煙草（集團）有限責任公司曲靖卷煙廠，云南省曲靖市麒麟北路499 號 655001

2. 紅塔煙草（集團）有限責任公司，云南省玉溪市紅塔區紅塔大道118 號 653100

YB55 卷煙小盒透明紙包裝機具有自動化程度高、包裝效果好等特點，但由于生產速度較快（250包/min），透明紙包裝完成后輸出的小盒煙包存在排列混亂等問題，需要人工對煙包進行收集、整理、裝盤后再進入下道工序。特別在生產細支煙［1-2］和中支煙［3］等規格卷煙時，由于產品質量要求較高，需要配置大量工人整理煙包，增加生產成本，影響生產效率。近年來，針對YB55 包裝機已有較多研究及改進，曾京威等［4］通過增加壓輪對入口煙包輸送通道進行改進，解決了煙支煙絲端空松或整體塌陷等問題；蘇克健等［5］利用吸風負壓將硬盒小包從提升裝置轉向輸送至同步輸送帶，解決了煙支空頭或縮頭等問題；孟振偉等［6］研制一套透明紙自動拼接裝置，實現了透明紙在轉換過程中的自動拼接功能；張明秋等［7］在透明紙輸送通道中增加負壓吸風帶輸送裝置，解決了透明紙在輸送過程中產生的皺褶、堵塞、拉帶跑偏等問題；戚金周等［8］采用圓柱形壓縮彈簧代替煙包活動擋塊機構的扭簧，解決了疊包提升時出現煙包透明紙折角不良、連包等問題。但對于透明紙包裝后煙包整理裝置的設計及研究則鮮見報道。為此，基于YB55 小盒透明紙包裝機設計了一套煙包自動整理輸送裝置，對透明紙包裝后煙包進行整理后再由人工進行裝盤，以期提高卷煙包裝設備生產效率。

1 系統設計

1.1 結構組成

煙包自動整理輸送裝置主要由二級減速裝置、行星輪系［9］和法蘭盤組成，見圖1和圖2。其中，①二級減速裝置由一級齒輪Z1（9）和Z2（7）、二級齒輪Z3（5）和Z4（8）組成并安裝在箱體（4）內。Z1安裝在主傳動軸（11）上，由電機驅動；Z2 和Z3 均安裝在小齒輪軸（6）上，由齒輪Z1 帶動轉動且與Z1 轉動方向相反；Z4通過滾針軸承（12）安裝在主傳動軸上，由齒輪Z3帶動轉動。②行星輪系由轉盤（2）、安裝在轉盤中的3 個齒輪［1 個太陽輪Z5（18）和2 個行星輪Z6、Z7（17）］以及煙包推板（1）組成。轉盤與法蘭盤（3）聯接，通過齒輪Z4 帶動轉動；太陽輪Z5 安裝在主傳動軸上，由電機驅動；行星輪Z6、Z7以及煙包推板安裝在行星軸（19）上，由太陽輪帶動轉動；行星軸與轉盤相對位置固定，煙包推板隨行星軸轉動時保持垂直狀態。

圖1 煙包自動整理輸送裝置結構圖Fig.1 Structure of automatic cigarette packet collating and conveying device

圖2 煙包自動整理輸送裝置運動簡圖Fig.2 Movement diagram of automatic cigarette packet collating and conveying device

1.2 行星輪系設計

將太陽輪（Z5）和行星輪（Z6、Z7）均設計為標準直齒圓柱齒輪，模數為2，齒數為28，壓力角α為20°，太陽輪、行星輪、煙包推板以及轉盤的相對運動關系見圖3a。轉盤經二級減速裝置控制后逆時針旋轉；太陽輪Z5 由電機驅動逆時針旋轉，轉速由電機控制；行星輪Z6 自轉（行星輪繞行星軸轉動）角速度為0 以保證煙包推板一直保持垂直狀態，公轉（行星軸繞主傳動軸轉動）角速度與轉盤相同，運動軌跡見圖3b。由行星輪運動軌跡可得，行星輪上任意一點的運動軌跡均為半徑為2R（R 為太陽輪和行星輪半徑）的圓，見圖3b 中點C 軌跡。由于太陽輪Z5 和行星輪Z6 相互嚙合并在嚙合點具有相同線速度，可得：

圖3 行星輪系運動示意圖Fig.3 Schematic diagram of motion of planetary gear system

式中：vO6為行星軸公轉線速度，mm/min；vC6為行星輪上嚙合點的線速度，mm/min；vC5為太陽輪上嚙合點的線速度，mm/min；n5為太陽輪角速度（電機轉速），r/min；R為太陽輪半徑，mm；n轉為轉盤角速度，r/min；n6為行星輪公轉角速度，r/min。

1.3 二級減速裝置設計

由公式（1）可得，轉盤角速度為太陽輪角速度的1/2，采用二級減速裝置降低轉盤轉速，使電機與轉盤的傳動比i=2，即可滿足設計要求。由圖4可得：

圖4 二級減速裝置輪系圖Fig.4 Gear system of two-stage speed reducer

式中：i 為電機與轉盤的傳動比，無量綱；Z1、Z2、Z3、Z4分別為齒輪Z1、Z2、Z3、Z4的齒數，個。

齒輪Z1、Z2同樣采用模數為2、齒數為28個、壓力角α為20°的標準直齒圓柱齒輪。為滿足傳動比i=2，齒輪Z3、Z4的齒數和中心距須滿足：

式中：a1為齒輪Z1、Z2 的中心距，mm；a2為齒輪Z3、Z4的中心距，mm；m為模數，無量綱。

由公式（3）可得齒輪Z3、Z4 中心距a2為56 mm，查閱機械設計手冊［10］可知，齒輪主要為磨損失效。因齒輪Z3 尺寸較小，齒數不宜過多，同時為避免齒輪出現根切現象，對于α=20°的標準直齒圓柱齒輪，齒數一般選17～20 個。在傳動比i=2 和中心距a2=56 mm 的條件下，齒輪Z3 選擇模數為2、齒數為19 個、壓力角α=20°的標準直齒圓柱齒輪。由公式（3）可得齒輪Z4 的齒數為38 個，若選用標準齒輪，則齒輪Z3、Z4 的中心距a2為57 mm，無法滿足裝配要求，需要對齒輪Z4進行正變位設計［11-13］。齒輪Z3、Z4的嚙合角為：

式中：α′為齒輪Z3、Z4 的嚙合角，（°）；α為標準直齒圓柱齒輪的壓力角，（°）。

根據無側隙嚙合方程，可得：

式中：x3、x4分別為齒輪Z3、Z4的變位系數，無量綱。

Z3為標準齒輪，其變位系數x3=0，計算得到齒輪Z4 的變位系數x4=0.464 6。因此，Z4 設計為模數為2、齒數為38 個、壓力角α為20°、變位系數為0.464 6的正變位齒輪。

1.4 設備安裝與控制

如圖5 所示，煙包自動整理輸送裝置安裝在YB55包裝機出口后方的工作平臺上，通過一條向下傾斜的煙包輸送通道，煙包由包裝機出口輸送至工作平臺上的煙包輸送通道中。工作平臺上的煙包輸送通道設置有3個檢測點（圖5b），煙包到達檢測點3時被煙包推板由縱向排列整理為橫向排列后輸出，經人工裝盤后進入下道工序。

圖5 煙包自動整理輸送裝置安裝位置和工作示意圖Fig.5 Installation position and working diagram of automatic cigarette packet collating and conveying device

采用S7-200 PLC（德國西門子公司）控制MM440交流電機變頻器（德國西門子公司），進而實現整理裝置的啟停和速度控制，見圖6。①啟停控制。檢測點3檢測到有煙包時，PLC對“電機使能”控制做“置位”處理，即打開使能，關閉剎車，驅動電機運行，煙包推板隨轉盤轉動180°；檢測點3未檢測到煙包時，PLC對“電機使能”做“復位”處理，即關閉使能，打開剎車，停止電機運行。②速度控制。檢測點3與檢測點2之間有煙包堆疊時，煙包整理速度設置為100 包/min；檢測點2 與檢測點1 之間有煙包堆疊時，煙包整理速度調整為250 包/min；檢測點1 上游有煙包堆疊時，整理速度調整為300 包/min。3 種速度運行模式自動切換，從而實現煙包整理裝置與上游生產設備相匹配。

圖6 煙包自動整理輸送裝置控制原理圖Fig.6 Control principle of automatic cigarette packet collating and conveying device

2 應用效果

2.1 試驗設計

材料：“云煙（印象煙莊）”牌卷煙［紅云紅河煙草（集團）有限責任公司曲靖卷煙廠］。

設備：YB55 小盒透明紙包裝機（上海煙草機械有限責任公司）。

方法：YB55包裝機額定生產速度為250包/min，對采用煙包自動整理輸送裝置前后的生產數據進行采集，統計煙包產量、包裝機運行時間、挑揀煙包人數以及煙包反向數量，并根據公式（6）～（8）計算包裝機實際生產速度、包裝機生產效率以及人工工作效能，統計周期為3個月。

2.2 數據分析

由表1 可見，采用煙包自動整理輸送裝置后，煙包反向數量由1 051包/月減少至0，挑揀煙包人數由10人/班次減少至2人/班次（減少80%），人工工作效能由1 017包/（h·人）提升至6 450包/（h·人）；包裝機實際生產速度提高2 700 包/h，生產效率增加18.1 百分點。

表1 煙包自動整理輸送裝置應用前后包裝機生產數據①Tab.1 Production data before and after installation of automatic cigarette packet collating and conveying device

3 結論

基于YB55小盒透明紙包裝機，采用電機驅動和行星輪技術設計了一種煙包自動整理輸送裝置，在慣性作用下煙包由包裝機出口輸送至煙包輸送通道，經檢測合格后的煙包被煙包推板由縱向排列整理為橫向排列后輸出，再由人工裝盤后進入下道工序。以曲靖卷煙廠生產的“云煙（印象煙莊）”牌卷煙為對象對該裝置進行測試，結果表明：采用煙包自動整理輸送裝置后，生產中未出現煙包反向現象，煙包挑揀人數由10人/班次減少至2人/班次，人工工作效能顯著提升；包裝機實際生產速度提高2 700 包/h，生產效率提高18.1百分點。該裝置可在同類包裝機組中推廣應用。