鄧梅東

(龍巖煙草工業(yè)有限責任公司，福建龍巖 364021)

ZB45型硬盒包裝機組作為卷煙機械設備，被中國煙草制造廠家廣泛使用［1］。但其小盒商標紙疊供料傳動系統(tǒng)的控制電磁離合器，在設備運行過程中，因活動摩擦片的限位環(huán)易移位、復位彈簧圈和離合器摩擦面易磨損，經(jīng)常出現(xiàn)商標紙供給系統(tǒng)不向紙庫輸送商標紙疊或送料堵塞等故障問題。由于中國單純大量使用該機型卷煙包裝設備的生產(chǎn)廠家較少，對該故障問題的研究及解決方案還處于空白。

龍巖煙草工業(yè)有限責任公司生產(chǎn)車間單純投入使用該機型設備已達14臺套。車間技術(shù)人員自行立項研究攻關，參考相關電磁離合器與電磁制動器［2］、電磁離合器的改進［3］、摩擦片式電磁離合器的測試及選用［4］等各方技術(shù)進行維修處理和選型更換，但均未能使該故障得到有效解決。本試驗采用以螺釘限位取代原限位環(huán)、以外掛式拉簧取代原彈簧圈的復位方式的技術(shù)改進，擬解決該系統(tǒng)中的電磁離合器活動摩擦片的限位環(huán)易移位且不易調(diào)整、復位彈簧圈易磨損和離合器摩擦面易磨損問題。

1 工作原理及存在問題原因分析

1.1 工作原理分析

1.1.1 小盒商標紙疊供給傳動原理 如圖1所示，由主傳動傳遞過來的動力經(jīng)一對圓錐齒輪Z1傳遞給軸Ⅰ1，經(jīng)聯(lián)軸器M1、M2、M3將動力傳遞給電磁離合器M4。電磁離合器由電控系統(tǒng)控制，當電磁離合器得電時，軸Ⅰ1的動力經(jīng)電磁離合器傳遞給蝸桿Z2，蝸桿帶動蝸輪Z3，蝸輪Z3帶動軸Ⅰ2作旋轉(zhuǎn)運動，帶動了軸Ⅰ2上的凸輪T1、T2、T3。凸輪T1和T3控制商標紙?zhí)崛《吠瓿缮虡思埊B的供給，凸輪T1實現(xiàn)商標紙疊提取斗的水平移動，凸輪T3實現(xiàn)商標紙疊提取斗的垂直運動;凸輪T2實現(xiàn)商標紙疊輸送帶的步進進給。

圖1 小盒商標紙疊供給傳動系統(tǒng)原理圖Figure 1 Schematic box trademark paper supply transmission system

圖2 商標紙疊供給原理圖Figure 2 Trademark paper supply diagram

1.1.2 小盒商標紙疊供給的工作原理 如圖2所示，電磁離合器的吸合和脫離通過商標紙庫的一對光電管和電氣凸輪14控制。商標紙疊由操作工放置在輸送帶9上，當紙庫內(nèi)商標紙到達一定位置時，兩對射式光電管導通，發(fā)出電信號，電控系統(tǒng)控制電磁離合器2吸合，主傳動向商標紙疊供給系統(tǒng)傳遞動力，提取斗在凸輪4、7和齒輪的帶動下向紙庫輸送商標紙疊。當電氣凸輪14壓下微動開關13時，電磁離合器2吸合和釋放由電氣凸輪控制。提取斗在回程到達最高點后，向商標紙疊輸送皮帶靠近，提取斗運行停止后，凸輪5通過滾子、擺桿、扇形齒輪、齒輪8、單向超越離合器帶動皮帶輪，完成輸送帶向提取斗輸送商標紙疊的步進進給運動。當電氣凸輪14的平面轉(zhuǎn)動到微動開關13的滾輪下方時，微動開關復位，電磁離合器失電，主傳動不向商標紙疊供給系統(tǒng)提供動力，商標紙疊供給系統(tǒng)完成一次供料循環(huán)，等待下一次的供料循環(huán)。

正常工作時，蝸桿把主傳動的動力傳給蝸輪，向商標紙疊供給系統(tǒng)傳遞動力。若過載時，蝸桿克服壓縮彈簧壓力，沿軸向向上運動，檢測擋圈10隨蝸桿上移，檢測器12檢測到擋圈10后發(fā)出停機指令，同時電磁離合器失電。

1.2 問題原因分析

如圖3所示，限位環(huán)10以緊配合的方式固定在齒輪12的齒頂上，限位環(huán)10起到兩種作用:

(1)對活動摩擦盤11進行限位。通過調(diào)整限位環(huán)在齒輪12的位置，以保證活動摩擦盤和固定摩擦盤3之間的間隙及平行度。

圖3 原電磁離合器結(jié)構(gòu)簡圖Figure 3 Schematic diagram of the original electromagnetic clutch

(2)對活動摩擦盤進行復位。當活動摩擦盤11在電磁吸力作用與固定摩擦盤3吸合在一起時，由于內(nèi)齒輪盤4通過螺釘8與活動摩擦盤11固定在一起，內(nèi)齒輪盤也隨著活動摩擦盤往上運動。這樣對限位環(huán)10和內(nèi)齒輪盤4之間的彈簧圈9擠壓，彈簧圈對活動摩擦盤產(chǎn)生向下復位的彈力。

活動摩擦盤11和內(nèi)齒輪盤4通過4個螺釘緊固在一起，兩者為內(nèi)齒，均與齒輪12嚙合。當電磁離合器得電時產(chǎn)生電磁吸力，活動摩擦盤11在電磁吸力的作用下，克服自身重力和彈簧圈9的阻力向上運動，與電磁離合器的固定摩擦盤3吸合在一起，在這一過程中，限位環(huán)10受到內(nèi)齒輪盤4的撞擊力。當電磁離合器失電時，活動摩擦盤11在自身重力和彈簧圈9的彈力作用下，與固定摩擦盤分離下落，活動摩擦盤下落時對限位環(huán)10產(chǎn)生撞擊力。而限位環(huán)10與齒輪12的齒頂為線性接觸，配合面積小，限位環(huán)受到撞擊力后，與齒輪12齒頂?shù)呐浜袭a(chǎn)生松動，從而引起活動摩擦盤11的內(nèi)齒與齒輪12嚙合的間隙變化。當限位環(huán)10在齒輪12上的位置上移時，兩摩擦盤的間隙變小;而限位環(huán)10在齒輪12上的位置下移時，兩摩擦盤的間隙變大;限位環(huán)10在齒輪12上的位置變化后，還將造成活動摩擦盤的吸合平面與固定摩擦盤的吸合平面不平行。

兩摩擦盤吸合面不在同一平面上或間隙過大，造成活動摩擦盤無法被離合器產(chǎn)生的吸力向上吸合，無法將活動摩擦盤的動力傳遞給商標紙疊傳動系統(tǒng)。

兩摩擦盤吸合面不在同一平面上或摩擦盤間隙過小，離合器失電后，活動摩擦盤不能及時與固定摩擦盤分離。彈簧圈在活動摩擦盤頻繁的運動過程中，與內(nèi)齒輪盤4和限位環(huán)10產(chǎn)生摩擦斷裂后，起不到活動摩擦盤的復位作用，活動摩擦盤不能及時與固定摩擦盤分離。上述兩種情況均會使離合器在不得電時，活動摩擦盤仍會將動力傳遞給商標紙疊供給傳動系統(tǒng)，當商標紙疊供給傳動系統(tǒng)運轉(zhuǎn)到微動開關被電氣凸輪壓下時，離合器得電，商標紙疊供給傳動系統(tǒng)由主傳動傳遞動力，提取斗再次向紙庫供料，此時由于紙庫內(nèi)商標紙存量多，將造成提取斗過載故障。

2 改進方法

2.1 商標紙供料離合器改進設計與實施

由于原電磁離合器的限位和復位方式存在缺陷，取消電磁離合器限位環(huán)和彈簧圈。如圖4所示，設計定位圓環(huán)8，用兩個M5×8的緊定螺釘將圓環(huán)固定在法蘭座11上，通過安裝在圓環(huán)上的4個M5×30螺釘16限位活動摩擦盤4;以及在圓環(huán)上安裝4個螺釘7和在活動摩擦盤上安裝4個拉簧掛架5，安裝4個拉簧6，對失電后的電磁離合器的活動摩擦盤進行復位。

圖4 設計改進后電磁離合器結(jié)構(gòu)示意圖Figure 4 The improved design of electromagnetic clutch structure schematic diagram

改進后電磁離合器的工作原理［5］:從主傳動傳遞來的動力經(jīng)聯(lián)軸器將動力傳遞給法蘭19，法蘭19通過3個螺釘18與法蘭座11連接，法蘭座11又通過6個螺釘與齒輪14連接，由齒輪14將動力傳遞給活動摩擦盤4。當電磁離合器得電時，在電磁吸力的作用下，活動摩擦盤4克服拉簧6的拉力上移，從而帶動固定摩擦盤轉(zhuǎn)動，將動力傳遞給商標紙供料傳動系統(tǒng);當電磁離合器失電時，活動摩擦盤4在自身重力和拉簧拉力的作用下，活動摩擦盤快速下移，從而斷開商標紙供料傳動系統(tǒng)與主傳動系統(tǒng)的動力，停止向商標紙庫供送商標紙疊，活動摩擦盤則隨主傳動繼續(xù)轉(zhuǎn)動。

2.2 定位圓環(huán)設計

改變活動摩擦盤的限位方式，選用牌號為LY6的鋁合金加工定位圓環(huán)［6］，利用調(diào)節(jié)螺釘來調(diào)節(jié)離合器摩擦面的間隙。利用此圓環(huán)代替限位環(huán)，用螺釘調(diào)整間隙，使得調(diào)整方便、快捷、準確。定位圓環(huán)設計見圖5。

2.3 拉簧掛架設計

由于取消了限位環(huán)，彈簧圈失去了復位活動摩擦盤的作用，分析該離合器的安裝方式，活動摩擦盤在下方，在沒有電磁吸力的情況下，活動摩擦盤靠自重雖然可自行下落。但由于電磁離合器在失電后，存在“剩磁”現(xiàn)象，活動摩擦盤不能快速與固定摩擦盤分離。設計外掛式拉簧用以確保在電磁離合器失電時，活動摩擦盤能快速與固定摩擦盤分離。以避免彈簧圈磨損造成活動摩擦盤不能分離的缺陷。拉簧掛架設計見圖6。

圖5 定位圓環(huán)設計簡圖Figure 5 Sketch of the positioning ring

圖6 拉簧掛架設計簡圖Figure 6 Sketch of the spring hanger

拉簧掛架材料的選型［6］:1Cr18Ni9Ti。

2.4 拉簧的選型

彈簧在變應力下工作，應有較高的疲勞極限、屈服極限和足夠的沖擊韌性。彈簧在使用期限內(nèi)有足夠的強度，不產(chǎn)生永久變形，以及質(zhì)量輕、體積小。

對離合器改進后，利用圖4中的4個調(diào)整螺釘11，在電磁離合器失電時，將兩摩擦盤的間隙調(diào)整為0.5 mm，此時測量拉簧掛架5和懸掛彈簧螺釘之間的距離為22 mm，故選用自由長度H0＜22 mm的小型圓柱螺旋拉伸彈簧，并分別對材料直徑為0.35 mm和0.40 mm，彈簧中徑均為5.00 mm的6種規(guī)格的彈簧進行試驗對比。由表1可知，序號為1、4、5規(guī)格的彈簧，活動摩擦盤均吸合、分離正常。對3種彈簧的拉伸量進行比較:其中序號1彈簧的變形量為22.0 mm－12.5 mm=9.5 mm;序號4彈簧的變形量為22.0 mm－12.8 mm=9.2 mm;序號5彈簧的變形量為22.0 mm－14.8 mm=7.2 mm。

由于序號5的彈簧變形量較小，因此選用如圖7中材料為碳素彈簧鋼絲的小型圓柱螺旋拉伸彈簧［7］，型號為:L A 0.4 ×5.00 ×14.8 ×12.5(GB 1973.2—89)。

表1 小型圓柱螺旋拉伸彈簧選用試驗對比表Table 1 Small cylindrically coiled tension spring selection table test

圖7 拉簧選型示意圖Figure 7 Schematic diagram of spring type

3 改進效果驗證及經(jīng)濟效益分析

表2是改造前32#ZB45型商標紙供料離合器故障維修統(tǒng)計表。

由表2可知，2009年3月至2010年2月期間，32#ZB45型包裝機在改造前，該機共處理電磁離合器故障6次，維修花費時間為350 min，故障維修時間長，影響了設備生產(chǎn)效率，而且每年還需兩次停機檢修保養(yǎng)對電磁離合器活動摩擦盤清潔、潤滑。2010年4月對電磁離合器改進后，于2012年4月對該機臺因電磁離合器故障引起的停機進行統(tǒng)計，在兩年期間，該機臺無因電磁離合器故障引起的停機，改造后，每年僅需一次對電磁離合器活動摩擦盤清潔、潤滑即可，且調(diào)整方便，節(jié)省維修人員工作量，大大提高了設備效率。

表2 改造前32#ZB45型商標紙供料離合器故障維修統(tǒng)計表Table 2 The transformation of the former 32#ZB45 trademark paper feeding clutch failure repair statistics

該技術(shù)已進一步推廣至龍巖煙草工業(yè)有限責任公司生產(chǎn)車間其余13臺ZB45型包裝機上應用。從經(jīng)濟效益看:改造前，因限位環(huán)松動或摩擦面磨損造成電磁離合器兩摩擦盤間隙無法調(diào)整需更換離合器。改造后，由于活動摩擦盤限位和定位方式的改變，當兩摩擦盤接觸表面磨損后，不需更換電磁離合器，通過調(diào)節(jié)螺釘，就能達到調(diào)整兩摩擦盤間隙的目的。電磁離合器價格6 146.72元/套，按龍巖煙草工業(yè)有限責任公司14臺設備計算，每年可節(jié)約維修費用近9萬元，達到改造的預期目的。

1 王峙，鄭路，劉亞麗.煙草機械與信息化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢［C］//中國煙草學會.2009～2010煙草科學與技術(shù)學科發(fā)展報告.北京:中國科學技術(shù)出版社，2010:135～146.

2 張偉.電磁離合器的改進［J］.設備管理與維修，2006(6):40.

3 施嘉駿.電磁離合器與電磁制動器［J］.裝備機械，2005(4):50～57.

4 于興芝，郭威.摩擦片式電磁離合器的測試及選用［J］.機械研究與應用，2008(2):122～124.

5 上官同英.機械設計基礎［M］.趙曼，任衛(wèi)東.北京:清華大學出版社，2009:242～244.

6 聞邦椿.機械設計手冊［M］.機械設計手冊編委會.第5版.北京:機械工業(yè)出版社，2010:46～53.

7 成大先.機械設計手冊［M］.第五版.北京:化學工業(yè)出版社，2010:37～43.