武占云，楊 彬，周玉生*，郭中艷

1.秦皇島煙草機(jī)械有限責(zé)任公司，河北省秦皇島市開發(fā)區(qū)龍海道67 號 066318

2.中國煙草總公司職工進(jìn)修學(xué)院，鄭州市鑫苑路7 號 450011

貯柜是煙草制絲生產(chǎn)線中的主要存儲設(shè)備［1-2］，使用范圍廣、數(shù)量多?，F(xiàn)有貯柜在出料口處設(shè)置有撥料裝置［3］，通過撥料輥的轉(zhuǎn)動使物料松散［4］，達(dá)到均勻出料的目的，提高物料流量的穩(wěn)定性。但由于貯柜結(jié)構(gòu)存在設(shè)計(jì)缺陷，在出料過程中容易對煙絲產(chǎn)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(jìn)，鄭玉忠等［5］和侯加文等［6］通過調(diào)整撥料輥耙釘數(shù)量和位置、優(yōu)化底帶運(yùn)行速度和撥料輥轉(zhuǎn)速等措施，降低了煙絲碎絲率，提高了卷煙內(nèi)在質(zhì)量；劉亦堅(jiān)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(shè)計(jì)了一種新型伸縮撥叉式撥料裝置，提高了穿孔機(jī)組的運(yùn)行效率。但上述改進(jìn)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(shù)設(shè)計(jì)了一種耙料機(jī)構(gòu)，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(chǎn)品質(zhì)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(xiàn)的結(jié)團(tuán)煙絲，在貯柜出口處安裝有3 組撥料裝置。改進(jìn)前撥料裝置主要由撥料輥（1）、撥釘（2）、減速機(jī)（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(jī)（3）驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，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(jìn)行沖擊和拍打會使物料造碎嚴(yán)重。

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

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

改進(jìn)后貯柜耙料機(jī)構(gòu)主要由耙釘軸（1）、旋轉(zhuǎn)圓盤（2）、側(cè)板（3）、驅(qū)動裝置（4）等部件組成，見圖2。生產(chǎn)中物料在貯柜底帶作用下向出料口移動，在驅(qū)動裝置（4）的驅(qū)動下，旋轉(zhuǎn)圓盤（2）帶動耙釘軸（1）圍繞驅(qū)動裝置（4）的中心軸轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動夾帶物料下落，松散結(jié)團(tuán)煙絲，實(shí)現(xiàn)均勻出料。

2.1 耙釘軸

圖2 改進(jìn)后耙料機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)動，每旋轉(zhuǎn)1周撥動1 次物料。生產(chǎn)中耙釘（2）成一定角度插入物料，隨著旋轉(zhuǎn)圓盤轉(zhuǎn)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(jìn)前的線接觸轉(zhuǎn)變?yōu)辄c(diǎn)接觸，降低了物料受力強(qiáng)度，減少了煙絲造碎。

圖3 耙釘軸結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of structure of spiker shaft

2.2 驅(qū)動裝置

2.2.1 工作原理

驅(qū)動裝置主要為整個機(jī)構(gòu)提供動力及傳動，包括減速機(jī)（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(jī)（1）通過中心軸（2）連接旋轉(zhuǎn)圓盤，太陽輪（4）安裝在側(cè)板上，惰齒輪（5）安裝在旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)圓盤通過軸承連接。生產(chǎn)中減速機(jī)（1）驅(qū)動中心軸（2）帶動旋轉(zhuǎn)圓盤同步轉(zhuǎn)動，固定在貯柜側(cè)板上的太陽輪（4）不產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，惰齒輪（5）和星齒輪（3）隨旋轉(zhuǎn)圓盤公轉(zhuǎn)的同時，在太陽輪（4）的作用下產(chǎn)生自轉(zhuǎn)；耙釘軸在圍繞中心軸（2）公轉(zhuǎn)的同時進(jìn)行自轉(zhuǎn)，保證耙釘伸出方向及彎曲方向不變［9］。

圖4 驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of structure of driving mechanism

2.2.2 確定傳動比

設(shè)太陽輪齒數(shù)為Z1，惰齒輪齒數(shù)為Z2，星齒輪齒數(shù)為Z3，則Z1、Z2、Z3的關(guān)系為Z1=k×Z2，Z2=p×Z3。由于惰齒輪自轉(zhuǎn)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(jù)現(xiàn)場情況，耙料機(jī)構(gòu)每旋轉(zhuǎn)1 周（即中心軸和旋轉(zhuǎn)圓盤旋轉(zhuǎn)1 周），要求耙釘撥動物料1 次，故取p=1（根據(jù)物料接觸次數(shù)，p 值也可取2，3，…）。當(dāng)旋轉(zhuǎn)圓盤旋轉(zhuǎn)n1周時，惰齒輪自轉(zhuǎn)周數(shù)n2=Z1/Z2×n1=kn1，星齒輪自轉(zhuǎn)周數(shù)n3=Z2/Z3×n2=pn2。由圖4 可見，當(dāng)減速機(jī)旋轉(zhuǎn)1 周時，4 個惰齒輪和4個星齒輪也旋轉(zhuǎn)1 周，從而使耙釘軸繞中心軸公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)均與中心軸同步，確保每個耙釘彎鉤與物料接觸狀態(tài)保持一致。

2.3 結(jié)構(gòu)驗(yàn)證和力學(xué)分析

2.3.1 機(jī)構(gòu)運(yùn)動關(guān)系

機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖表明了各零部件的運(yùn)動關(guān)系和傳動原理，見圖5。減速機(jī)（1）包含一個轉(zhuǎn)動副，惰齒輪（7）自轉(zhuǎn)形成一個轉(zhuǎn)動副，耙釘軸（4）與左右旋轉(zhuǎn)圓盤（3，5）間形成一個轉(zhuǎn)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(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖Fig.5 Movement diagram of raking mechanism

2.3.2 機(jī)構(gòu)自由度驗(yàn)證

機(jī)構(gòu)自由度就是機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動時所必須給定的獨(dú)立運(yùn)動參數(shù)的數(shù)目，機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的條件是機(jī)構(gòu)的原動件數(shù)等于機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)［10］。

機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式［11］為：

F=3n-2pL-pH

式中：F—機(jī)構(gòu)自由度；n—活動構(gòu)件數(shù)；pL—平面運(yùn)動低副；pH—平面運(yùn)動高副。

根據(jù)圖5 計(jì)算可得，耙釘機(jī)構(gòu)自由度F=3n-2pL-pH=3×3-2×3-2=1，F(xiàn)＞0且與原動件數(shù)相等，故該機(jī)構(gòu)各構(gòu)件間的相對運(yùn)動是確定的。

2.3.3 運(yùn)動軌跡分析

由圖6 可見，惰齒輪中心軸在旋轉(zhuǎn)圓盤的驅(qū)動下沿軌跡運(yùn)行，因惰齒輪與太陽輪嚙合而進(jìn)行自轉(zhuǎn)；同樣星齒輪中心軸在旋轉(zhuǎn)圓盤的驅(qū)動下沿軌跡運(yùn)行，因星齒輪與惰齒輪嚙合而進(jìn)行自轉(zhuǎn)。由2.2.2 節(jié)分析可知Z1=Z2=Z3，所以當(dāng)惰齒輪圍繞太陽輪旋轉(zhuǎn)1 周時，星齒輪也自轉(zhuǎn)1 周，星齒輪上a、b、c、d 點(diǎn)的相對位置保持不變，在實(shí)現(xiàn)耙料功能的同時，保證物料順利落下。

圖6 運(yùn)動軌跡Fig.6 Movement trajectory

2.3.4 物料受力分析

改進(jìn)前撥料裝置作用在物料上的合力方向隨撥料輥的轉(zhuǎn)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(dāng)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(dāng)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(fù)受力產(chǎn)生煙絲造碎。

圖7 改進(jìn)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(jìn)后耙料機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)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(chǎn)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(jìn)而達(dá)到均勻出料的目的。

圖8 改進(jìn)后耙料機(jī)構(gòu)的物料受力分析Fig.8 Mechanical analysis of tobacco in raking mechanism after modification

3 應(yīng)用效果

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

材料：“好貓”牌卷煙配套煙絲（由陜西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司澄城卷煙廠提供）。

設(shè)備：GPT28D 貯柜1 臺（秦皇島煙草機(jī)械有限責(zé)任公司）。

方法：貯柜出料裝置分別采用撥料裝置和耙料機(jī)構(gòu)，選用同一配方3 批次煙絲進(jìn)行對比試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)改進(jìn)前后各批次出料整絲率，取平均值。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由表1 可知，采用耙料機(jī)構(gòu)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(diǎn)，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(jī)構(gòu)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(jié)論

采用齒輪副傳動技術(shù)設(shè)計(jì)了一種貯柜耙料機(jī)構(gòu)，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(zhuǎn)動撥出物料，松散結(jié)團(tuán)煙絲，實(shí)現(xiàn)均勻出料。以澄城卷煙廠生產(chǎn)的“好貓”

牌卷煙配套煙絲為對象進(jìn)行測試，結(jié)果表明：與撥料裝置相比，采用耙料機(jī)構(gòu)的出料整絲率提高0.51 百分點(diǎn)，且物料受力大小可控，降低了物料加工強(qiáng)度，減少了煙絲造碎。該機(jī)構(gòu)還可應(yīng)用于細(xì)支煙生產(chǎn)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(jìn)行定長切割，從而達(dá)到控制煙絲長度的目的。