張國智，馮志斌，江威，李娟娟

廣東中煙工業(yè)有限責任公司，廣州市荔灣區(qū)芳村環(huán)翠南路88號 510310

H1000超高速包裝機組差動式模盒機構剖析

張國智，馮志斌*，江威，李娟娟

廣東中煙工業(yè)有限責任公司，廣州市荔灣區(qū)芳村環(huán)翠南路88號 510310

為滿足卷煙生產設備高速傳動的要求，對H1000超高速包裝機組的差動式模盒機構的工作原理和運動特性進行了分析。該模盒機構采用凸輪差速傳動和交替運動方式，由凸輪機構產生差速，通過行星齒輪差速器與主傳動并聯(lián)，以滿足機構的間隙運動需求，降低高速運轉時的沖擊和噪聲；利用兩組模盒交替運動方式提高設備的工作效率。結果表明：差動式模盒機構可以較好地滿足超高速包裝機組的連續(xù)穩(wěn)定運行的要求，加減速柔和，運動沖擊小；設備全速運轉噪聲僅為79 dB，低于中速包裝機組的83 dB；3年實測故障率為零，各零部件無明顯磨損。對該模盒機構的原理、結構和運行特性研究可為新型超高速包裝機組的技術研發(fā)提供參考。

卷煙；超高速；包裝機組；模盒機構；差動式；槽輪式；交替運動

隨著卷煙生產設備不斷向高速化發(fā)展，卷煙包裝機組的單機生產速度已由400包/分鐘提高到600～800包/分鐘。其中，生產速度低于600包/分鐘的中速包裝機組主要采用槽輪式模盒機構實現(xiàn)間隙運動［1］。隨著生產速度的不斷提升，槽輪機構所承受的沖擊力不斷加大，造成噪聲增大、零件使用壽命縮短等問題。張磊等［2］通過優(yōu)化槽輪的設計參數(shù)以降低高速傳動帶來的沖擊，但由于受槽輪機構的運動特性限制，無法從根本上滿足設備高速傳動的要求。意大利GD公司最新推出的H1000超高速包裝機組生產速度達1000包/分鐘，其采用的差動式模盒機構在工作過程中運行平穩(wěn)，高速運轉時沖擊力小，噪聲低，設備故障率也較低。為此，通過對H1000超高速包裝機組模盒機構的原理結構進行剖析，研究其工作原理及運動特性，旨在為新型超高速包裝機組的技術研究提供理論參考。

1 存在問題

1.1 槽輪式模盒機構組成

卷煙包裝機組的工藝流程包括煙組成型、鋁箔紙包裝、小盒包裝紙包裝、小包輸送、小包透明紙包裝、條盒包裝、條盒透明紙包裝等工序。其中，煙組成型是將煙支按7-7-6或7-6-7方式排列后形成煙組，再進行鋁箔紙包裝，見圖1。在生產過程中煙支經過垂直下煙通道，在垂直方向上排列整齊，由煙支推桿3將排列好的煙支推入模盒2中排列成型，模盒再將煙組輸送到鋁箔紙包裝工序。在此過程中模盒起著載體和定型作用，保證煙支在輸送過程中的排列保持不變。

圖1 槽輪式模盒機構結構圖

煙支推桿在將煙支推入模盒過程中，由于煙支運動方向與模盒運動方向垂直，為保證推煙動作順利完成，模盒必須靜止在對齊煙支的推入工位，待完成煙支推入動作后才能繼續(xù)運動，將煙支送入鋁箔紙包裝工序，然后空模盒返回煙支推入工位裝載煙支，如此循環(huán)往復。因此，模盒機構采用的是槽輪式間隙傳動機構。在槽輪式模盒機構中，多個模盒均布在一條輸送帶1上并隨輸送帶運動，輸送帶動力由槽輪機構傳遞。根據(jù)槽輪機構的運動特性，當撥輪7圓銷脫離槽輪6時，輸送帶靜止，煙支推入模盒；當撥輪圓銷進入槽輪時，輸送帶開始運動，模盒隨輸送帶運動輸送煙支。槽輪機構的運動方程為：

式中：ω2為槽輪轉速，r/min；ω1為撥輪轉速，r/min；φ1為撥輪轉角，°；γ為槽輪機構固定結構系數(shù)［3］。

由運動方程可見，槽輪機構在整個運動過程中其運動速度隨撥輪轉角φ1而變化，在啟動和停止時會出現(xiàn)速度突變，從而帶來較大沖擊。隨轉速增加或槽輪槽數(shù)減少速度突變會加大，沖擊會加劇，故槽輪機構已不能滿足包裝機組高速運轉的要求［4］。

1.2 傳統(tǒng)間隙傳動機構分析

目前常用的間隙傳動機構除槽輪機構外還有不完全齒輪機構、凸輪機構等［5］。不完全齒輪機構設計靈活，從動輪的運動范圍大。但該機構加工復雜，在進入和退出嚙合時速度有突變，容易引起剛性沖擊，不宜用于高速傳動；凸輪機構具有運轉可靠、傳動平穩(wěn)等優(yōu)點，通過改變凸輪推程運動角可得到轉盤轉動與停歇時間的比值，利用凸輪弧線設計實現(xiàn)柔和的加減速，可以較好地適應高速運轉。例如在YB47高速包裝機組的3號輪及第二煙支推進器中就分別采用了弧面分度凸輪機構［6］和共軛凸輪機構［7］實現(xiàn)間隙運動，具有運轉平穩(wěn)、安靜等優(yōu)點，但凸輪機構屬于線點接觸傳動機構，負載過大時容易產生磨損。所以，槽輪機構等傳統(tǒng)間隙運動機構都無法較好地滿足包裝機組高速、耐磨損的要求。

2 差動式模盒機構的技術實現(xiàn)

H1000超高速包裝機組采用的差動式模盒機構，在傳動上采用了由凸輪機構和錐齒輪差速器組成的復合式機械結構，凸輪機構通過錐齒輪差速器與主傳動并聯(lián)，在設備運轉過程中利用凸輪機構產生與主傳動同向或反向的差速度，經過錐齒輪差速器進行速度疊加后，輸出滿足設備整體運轉要求的高速間隙運動［8］。另外，差動式模盒機構由兩組傳動機構組成，并采用交替運動方式，可以使兩個不同速度的生產動作同時進行，提高了設備工作效率。

2.1 傳動系統(tǒng)組成

差動式模盒機構的傳動系統(tǒng)主要由動力輸入齒輪、凸輪、連桿、輸出軸、錐齒輪、模盒輸送帶等部件組成，見圖2。該系統(tǒng)有兩個動力輸出：①由齒輪1輸入，齒輪1、凸輪2、錐齒輪12固定在同一軸上，動力通過錐齒輪12傳遞到錐齒輪11。錐齒輪11與錐齒輪10固定在同一軸上，錐齒輪6和錐齒輪9安裝在可繞輸出軸7轉動的支架5上，連桿3與支架5通過鉸鏈連接，錐齒輪10，9，8，6組成一個行星齒輪差速機構，最后動力通過差速機構由輸出軸7傳遞到齒形模盒輸送帶22。②由齒輪1輸入，通過錐齒輪12傳遞到錐齒輪13，錐齒輪14，15，17，18組成的差速機構帶動輸出軸19，進而帶動模盒輸送帶20運動。

圖2 差動式模盒機構的傳動系統(tǒng)結構圖

兩個動力輸出的工作原理基本相同，以輸出①為例說明其工作原理。在無推煙動作時，動力由錐齒輪10輸入，通過錐齒輪9和6傳遞到錐齒輪8，此時錐齒輪支架5靜止，錐齒輪8將動力傳遞到輸出軸7，再由輸出軸輸送到模盒輸送帶輪，模盒輸送帶輪帶動安裝有模盒21的輸送帶22作勻速運動；模盒到達推煙工位前，凸輪2帶動連桿3，連桿3帶動錐齒輪支架5，錐齒輪支架5帶動錐齒輪9和6繞輸出軸7作與錐齒輪10相反的轉動，兩者速度疊加，錐齒輪8開始作減速運動；當模盒到達推煙工位時，錐齒輪支架5的轉速與錐齒輪10的轉速相等，但轉動方向相反，此時錐齒輪8和輸出軸7的轉速均為0，即模盒靜止在推煙工位上，此時煙支被推入模盒；推煙動作完成后，錐齒輪支架5在凸輪2的帶動下與錐齒輪10作同向轉動進行復位，在差速器作用下輸出軸作加速轉動，錐齒輪支架5復位后靜止，輸出軸7則再次作勻速轉動。

2.2 運動特性

根據(jù)差動式模盒機構的工作原理，其主要部件的速度曲線見圖3?？梢?，通過對凸輪2的輪廓曲線優(yōu)化設計，在錐齒輪支架5轉動過程中可實現(xiàn)柔和的加速和減速，避免速度突變對零件產生沖擊。該機構中凸輪2未直接驅動負載，僅驅動錐齒輪支架產生差速度，運動載荷較小，可減少零件磨損，降低運行噪聲［9-10］。在傳統(tǒng)模盒機構中，當模盒在推煙工位靜止時，通過撥輪卡在槽輪的鎖止槽內保證模盒的靜止定位，但撥輪在鎖止槽內是高速轉動的，槽輪與撥輪之間相互摩擦造成零件磨損，導致模盒定位精度降低，在推煙進入模盒時容易出現(xiàn)撞煙。由于差動式模盒機構采用了差速器，當模盒在推煙工位靜止時，利用差速器的齒輪組嚙合互鎖的特性，無需鎖止機構即可保證模盒的精確定位，簡化了設備結構，降低了設備故障率。

圖3 差動式模盒機構主要部件速度曲線

在槽輪式模盒機構中，槽輪轉速除靜止外其余時間都是變化的，因此工序之間只能在槽輪靜止時進行煙支交接，從而限制了設備速度的提升。在差動式模盒機構的一個運動周期內，有兩段時間模盒速度是保持不變的，即煙支推入模盒時，模盒速度保持為0。另外，在煙支推入模盒后且差速器的錐齒輪支架復位靜止后，模盒保持勻速運動。此時，包裝機組的一輪與模盒的運動速度相同，二者相對靜止，可順利完成煙支從模盒到一輪的交接，實現(xiàn)煙支從間隙運動到連續(xù)運動的過渡，有效提高設備生產速度。

2.3 交替運動方式

由于煙支推入模盒和煙支從模盒交接到一輪兩個動作是在不同模盒運動速度下完成，為保證差動式模盒機構與上下游工序的無縫連接，提高設備生產效率，H1000包裝機組的模盒機構采用了分組交替運動方式。模盒輸送帶由兩根皮帶組成，傳動機構采用兩套差速機構，分別由差動輪系輸出兩個驅動，各自驅動一條輸送帶。每條模盒輸送帶上有12個模盒，6個一組，兩條輸送帶上共有4組模盒（A，B，C，D）。其中，A，C兩組模盒與輸送帶1相連，B，D兩組模盒與輸送帶2相連，模盒組之間交替運動。

A，B兩組模盒之間的速度關系見圖4。當輸送帶1上的B組模盒向煙庫方向作減速運動時，已完成煙支推入的輸送帶2上的A組模盒正勻速向包裝機組一輪輸送煙支；當B組模盒停止在煙支推入位置接受煙支推入時，A組模盒已到達包裝機組一輪的煙支交接位置，輸送帶1作勻速運動，與包裝機組一輪速度同步；在B組模盒進行煙支推入時，A組模盒正在將煙支交接到包裝機組一輪，相當于有兩個工位在同時工作，避免了不同工位因運動速度不同而相互干擾，實現(xiàn)了兩個生產動作同時進行，提高了工作效率。B組與C組模盒工作循環(huán)相同。

圖4 A，B組模盒的運動關系

3 結語

差動式與槽輪式模盒機構對比結果見表1。可見，差動式模盒機構在高速運轉時運動沖擊力小，運行噪聲低，零件更耐用且工作效率高，比傳統(tǒng)的槽輪式模盒機構能更好地適應高速包裝機的要求。

經測試，中速包裝機組生產速度400包/分鐘時的運轉噪聲約為83 dB，而采用差動式模盒機構的H1000超高速卷煙包裝機組生產速度1000包/分鐘時的運轉噪音僅為79 dB。差動式模盒機構經過3年實際運行，故障率為零，各零部件無明顯磨損。通過分析研究該模盒機構的基本結構、工作原理和運行特性有助于新型超高速包裝機組的技術研發(fā)。

表1 差動式與槽輪式模盒機構結構性能對比

［1］徐愛東，劉雄心，陳紅.包裝機器中的步進裝置［J］.包裝與食品機械，2000（5）：19-21.

［2］張磊，詹磊.一種新型槽輪機構的設計與研究［J］.機械傳動，2007（6）：44-47.

［3］王寧俠，楊耀峰，魏引煥.槽輪機構運動及其高副磨損分析［J］.西北輕工業(yè)學院學報，2000(18)：80-84.

［4］劉辰.外槽輪機構設計分析［J］.機電工程技術，2009(38)：61-63.

［5］劉穎，馬春榮.機械設計基礎［M］.北京：清華大學出版社，2005：68-71.

［6］胡國勝，戎磊杰.弧面分度凸輪機構在YB47型硬盒包裝機包裝輪中的應用［J］.煙草科技，2011(7)：15-17.

［7］蔣蒙奇.共軛凸輪機構在YB47型硬盒包裝機煙支第二推進器上的應用［J］.煙草科技，2009(9)：25-26.

［8］申永勝.機械原理教程［M］.北京：清華大學出版社，2005：244.

［9］劉惟信.機械最優(yōu)化設計［M］.2版.北京：清華大學出版社，1994：280-286.

［10］劉穎，馬春榮.機械設計基礎［M］.北京：清華大學出版社，2005：27-33.

Analysis of Differential Mandrel Mechanism in H1000 Ultrahigh-speed Cigarette Packer

ZHANG Guozhi，F(xiàn)ENG Zhibin*，JIANG Wei，and LI Juanjuan
China Tobacco Guangdong Industrial Co.，Ltd.，Guangzhou 510310，China

The working principle and movement characteristics of differential mandrel mechanism in H1000 ultrahigh-speed cigarette packer were analyzed.The mandrel mechanism incorporated cam differential drive and means of alternate movement，the cam mechanism produced speed difference and in parallel with main drive via planet gear differential mechanism to implement intermittent movement with low impact and noise at high-speed. Two sets of mendrels worked alternately to improve the working efficiency of the equipment.The results showed that with gentle acceleration/deceleration and low impact，the differential mandrel mechanism satisfied the requirements of ultrahigh-speed packer for continuous and stable running，the noise at fullspeed running was 79 dB(A)in contrast with 83 dB(A)of a medium speed packer.Through the actual running over three years，the failure rate was zero and no obvious wear was observed.

Cigarette；Ultrahigh-speed；Cigarette packer line；Mandrel mechanism；Differential type；Grooved drum type；Alternate movement

TS434

A

1002-0861（2014）11-0025-04

張國智（1980—），學士，工程師，主要從事機械裝備自動化、技術改造和項目管理工作。E-mail：13503082912@139.com；*

馮志斌E-mail：1353021733@139.com

2014-05-16

責任編輯：曹娟E-mail：cj254@126.com

電話：0371-67672669