賀 韌 田 晶 畢君宜 - 湯世祥 -

(1. 湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430040；2. 湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司三峽卷煙廠，湖北 宜昌 443100)

GDX2包裝機(jī)組是從意大利G.D公司引進(jìn)的卷煙包裝設(shè)備，運(yùn)行穩(wěn)定，性能良好，是中國(guó)卷煙工業(yè)軟盒包裝的主流機(jī)型[1]。由于該設(shè)備輔機(jī)YB55型透明紙包裝機(jī)上的原拉線卷筒定位裝置結(jié)構(gòu)較為單一[2]，拉線卷筒通過一個(gè)帶內(nèi)螺紋的鎖緊錐套固定在卷筒軸上，更換拉線時(shí)，需人工手動(dòng)停機(jī)，將拉線卷筒鎖緊錐套手動(dòng)旋出，取下卷筒內(nèi)芯，更換新拉線，再將鎖緊錐套手動(dòng)旋緊，整個(gè)過程需旋轉(zhuǎn)錐形螺母28圈，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，更換一個(gè)拉線卷通常需要90～120 s，導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)時(shí)間長(zhǎng)，影響設(shè)備運(yùn)行效率。此外，由于對(duì)拉線卷的鎖緊程度全憑人為經(jīng)驗(yàn)判斷，經(jīng)常出現(xiàn)操作工鎖緊力控制不到位的情況，鎖緊力過大造成卷筒內(nèi)芯破損，導(dǎo)致材料浪費(fèi)，鎖緊力過小造成卷筒松脫，運(yùn)行過程中出現(xiàn)拉線跑偏，拉線使用故障頻次1.4次/周，影響設(shè)備的正常運(yùn)行和包裝質(zhì)量。綜上所述，生產(chǎn)企業(yè)迫切需要研究一種拉線卷筒快速定位裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)拉線卷筒的快速更換和鎖緊力的穩(wěn)定可控。

中國(guó)卷煙企業(yè)已有通過各種方式對(duì)YB55型包裝機(jī)拉線卷筒定位裝置進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，用于縮短拉線卷筒的更換時(shí)間。高暢等[2-3]通過研制“U”型彈簧片徑向張緊裝置實(shí)現(xiàn)了拉線卷的準(zhǔn)確定位和鎖緊，但彈簧片彈性會(huì)隨使用時(shí)間的延長(zhǎng)而下降，影響鎖緊效果。張挺等[4]通過研究氣撐式鎖緊裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)拉線卷穩(wěn)定鎖緊，自動(dòng)化程度高，但原理復(fù)雜，對(duì)改造空間要求多、成本較高。上述研究雖然取得了一定成效，但存在使用壽命短、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)成本高等問題，不能完全滿足生產(chǎn)實(shí)際的需要。研究擬設(shè)計(jì)一種鋼珠壓簧鎖緊式拉線卷筒快速定位裝置，以期實(shí)現(xiàn)對(duì)拉線卷筒的快速更換和鎖緊力的穩(wěn)定可控，提高設(shè)備的有效作業(yè)率。

1 現(xiàn)狀調(diào)查

為了解拉線卷筒更換過程中設(shè)備停機(jī)時(shí)長(zhǎng)的具體情況，對(duì)各機(jī)臺(tái)8名熟練操作工更換拉線卷筒所用時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，每人進(jìn)行3次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。同時(shí)，為了解拉線更換過程中，因操作工鎖緊力控制不到位導(dǎo)致的卷筒破損和卷筒松脫等情況，對(duì)各機(jī)臺(tái)因拉線卷筒鎖緊不到位引起的拉線使用故障頻次進(jìn)行為期4周的統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

表2 改進(jìn)前拉線使用故障頻次統(tǒng)計(jì)表

由表1、2可知：在使用原拉線卷筒定位裝置的情況下，操作工每次更換拉線卷的平均停機(jī)時(shí)長(zhǎng)為90 s，耗時(shí)較長(zhǎng)；平均每臺(tái)機(jī)臺(tái)每周都會(huì)出現(xiàn)因操作工擰緊力控制不到位導(dǎo)致的拉線卷筒破損或卷筒松脫等問題，因拉線卷筒鎖緊不到位導(dǎo)致的拉線使用故障頻次為1.4次/周，嚴(yán)重影響設(shè)備運(yùn)行效率和產(chǎn)品包裝質(zhì)量。

表1 改進(jìn)前操作工更換拉線卷筒時(shí)長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)表

2 原因分析

2.1 原拉線卷筒定位裝置工作原理

如圖1所示，拉線卷筒定位裝置由卷筒安裝軸、內(nèi)部錐套、外部錐形鎖緊螺母、直流電機(jī)和一對(duì)錐齒輪組成。拉線軸4左側(cè)固定有一個(gè)錐套5，右側(cè)設(shè)有一個(gè)可活動(dòng)的帶螺紋的鎖緊錐套7，拉線卷6穿套在拉線軸4上，通過錐套5和鎖緊錐套7的共同擠壓實(shí)現(xiàn)對(duì)拉線卷的鎖緊定位，直流電機(jī)1通過一對(duì)錐齒輪2、3帶動(dòng)拉線軸4轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)拉線的供給。

1. 直流電機(jī) 2. 錐齒輪 3. 錐齒輪 4. 拉線軸 5. 內(nèi)部錐套 6. 拉線卷 7. 鎖緊錐套

2.2 問題原因分析

2.2.1 拉線更換耗時(shí)較長(zhǎng)的原因 對(duì)拉線更換操作流程進(jìn)行分析，拉線耗盡需更換時(shí)，具體操作步驟：① 人為手動(dòng)停機(jī)；② 切斷在用拉線；③ 將拉線卷筒鎖緊錐套手動(dòng)旋出；④ 取下拉線卷筒內(nèi)芯后迅速更換新的拉線卷；⑤ 將鎖緊錐套手動(dòng)旋緊；⑥ 拉線經(jīng)各導(dǎo)向輥展開后與小包透明紙匯合；⑦ 啟動(dòng)機(jī)車，完成拉線的更換操作。

統(tǒng)計(jì)4個(gè)機(jī)臺(tái)操作工更換拉線卷筒時(shí)每個(gè)操作步驟所耗時(shí)長(zhǎng)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。

表3 更換拉線各操作步驟所耗時(shí)長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)表

由表3可知，在更換拉線過程中，原拉線定位裝置鎖緊錐套的裝、卸用時(shí)最長(zhǎng)，占整個(gè)拉線更換時(shí)長(zhǎng)的82%。操作工在進(jìn)行這項(xiàng)操作時(shí)需要連續(xù)且快速的轉(zhuǎn)動(dòng)鎖緊錐套28周，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，嚴(yán)重影響拉線更換效率。

2.2.2 卷筒破損、卷筒松脫的原因 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)拉線軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，內(nèi)、外鎖緊錐套通過對(duì)拉線卷筒內(nèi)芯兩端接觸面鎖緊擠壓產(chǎn)生足夠大的摩擦力，從而帶動(dòng)拉線卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)拉線供給，因此安裝固定拉線卷筒時(shí)，需要一定的鎖緊力[5]。為保證內(nèi)、外鎖緊錐套與卷筒內(nèi)芯接觸面產(chǎn)生的摩擦力能夠帶動(dòng)拉線卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)工作，操作工所施加的鎖緊力一般會(huì)偏大。由于鎖緊力的大小只能通過人為經(jīng)驗(yàn)判斷，經(jīng)常出現(xiàn)操作工鎖緊力控制不到位的情況，鎖緊力過大，會(huì)導(dǎo)致卷筒內(nèi)芯脹裂而破損，鎖緊力過小，內(nèi)、外鎖緊錐套與卷筒內(nèi)芯接觸面產(chǎn)生的摩擦力不足以正常驅(qū)動(dòng)拉線卷筒的轉(zhuǎn)動(dòng)，造成拉線卷筒松脫，導(dǎo)致拉線跑偏和反向纏繞。

由上述分析可知，YB55型包裝機(jī)原拉線定位裝置通過錐形螺母鎖緊的方式固定拉線卷筒，操作繁瑣，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，鎖緊力大小不易準(zhǔn)確控制，鑒此，拉線定位裝置設(shè)計(jì)不合理是拉線不能快速更換和導(dǎo)致卷筒容易破損、松脫的主要原因。

3 改進(jìn)方法

3.1 改進(jìn)思路

鎖緊方式和固定方式的合理設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)拉線快速更換工作的關(guān)鍵。試驗(yàn)采用鋼球壓簧鎖緊的方式來進(jìn)行拉線卷筒快換裝置的設(shè)計(jì)，鋼球壓簧鎖緊方式同時(shí)具備定位、鎖緊功能，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、安裝快速，鎖緊力大、定位精度高等優(yōu)點(diǎn)[6]，通過單手直線推拉的方式即可完成拉線卷筒的安裝和卸載。

3.2 鋼珠壓簧鎖緊式拉線卷筒定位裝置設(shè)計(jì)方案

鋼珠鎖緊式拉線卷筒定位裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由卷筒安裝軸7、鋼珠4、壓簧2、定位環(huán)5等組成。定位裝置整體設(shè)計(jì)為圓柱形，在卷筒安裝軸7上固定安裝有定位環(huán)5，其結(jié)構(gòu)上設(shè)有凸塊8卡住拉帶卷筒內(nèi)芯的工藝槽，解決卷筒內(nèi)側(cè)定位和鎖緊，定位凸塊共2個(gè)，對(duì)稱分布在定位環(huán)5上。卷筒安裝軸7內(nèi)部開有徑向通孔，通孔一端為球形孔，用于放置鋼珠4并防止鋼珠彈出，另一端設(shè)有螺紋孔1，用于安裝壓力調(diào)節(jié)螺釘3，壓簧2位于鋼珠4和壓力調(diào)節(jié)螺釘3之間，通過螺紋孔1內(nèi)的壓力調(diào)節(jié)螺釘3可調(diào)節(jié)壓簧對(duì)鋼珠的壓力，通過此組壓簧鋼珠結(jié)構(gòu)，解決拉線卷筒外側(cè)定位和鎖緊。

1. 螺紋孔 2. 壓簧 3. 壓力調(diào)節(jié)螺釘 4. 鋼珠 5. 定位環(huán) 6. 緊定螺釘 7. 卷筒安裝軸 8. 定位凸塊

安裝拉線卷筒時(shí)，操作工單手直接插入拉線卷筒，鋼珠4受壓下沉，待定位凸塊8插入卷筒內(nèi)芯的工藝卡槽后，鋼珠4在壓簧2作用下自動(dòng)彈出，并卡住拉線卷筒內(nèi)芯外端面，實(shí)現(xiàn)對(duì)拉線卷筒的定位。該鋼珠鎖緊式拉線快換裝置，可為拉線卷筒提供穩(wěn)定的鎖緊力，有效防止拉線卷筒損壞或松脫，更換拉線時(shí)，能實(shí)現(xiàn)與拉線卷筒的快速分離，操作簡(jiǎn)單，省時(shí)省力。

3.3 卷筒安裝軸的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)卷筒安裝軸主體長(zhǎng)度162 mm，材料采用45#鋼，軸承型號(hào)為“6004”。根據(jù)卷筒內(nèi)芯內(nèi)徑尺寸31 mm，卷筒安裝軸直徑設(shè)計(jì)為30 mm，卷筒內(nèi)芯穿套于軸上，不致產(chǎn)生大于1 mm的徑向跳動(dòng)，卷筒安裝軸設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

圖3 卷筒安裝軸設(shè)計(jì)圖

3.3.1 軸承的基本額定壽命計(jì)算 原拉線卷筒安裝軸直徑為18 mm，設(shè)計(jì)新的拉線卷筒安裝軸直徑為30 mm，安裝軸直徑的加粗可能導(dǎo)致軸承壽命降低，需要對(duì)軸承的基本額定壽命進(jìn)行計(jì)算，確定拉線卷筒安裝軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性。軸承基本額定壽命按式(1)計(jì)算：

(1)

式中：

Lh——壽命，h；

n——轉(zhuǎn)速，r/min；

C——基本額定動(dòng)載荷，N；

P——當(dāng)量動(dòng)載荷，N；

ε——壽命指數(shù)。

其中，當(dāng)量動(dòng)載荷P按式(2)計(jì)算：

P=fd(XFr+YFa)，

(2)

式中：

fd——沖擊載荷系數(shù)；

Fr——徑向載荷，N；

Fa——軸向載荷，N；

X——徑向動(dòng)載荷系數(shù)；

Y——軸向動(dòng)載荷系數(shù)。

拉線卷筒安裝軸所用軸承為向心球軸承，fd取1.2；軸承型號(hào)為“6004”，查軸承型號(hào)相關(guān)手冊(cè)[7]，C取9 380 N；軸承壽命指數(shù)ε取3；轉(zhuǎn)軸在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中沒有軸向載荷，X=1，Y=0；拉線卷筒安裝軸上軸承只受徑向力作用，徑向力Fr等于軸承所受重力，已知軸與拉線卷筒總重2.4 kg，則Fr=2.4×9.8=23.52 N；軸的最大轉(zhuǎn)速n=96 r/min。將上述條件代入式(1)、(2)，得P=28.224 N，Lh=6.373×109h，符合不小于10年使用壽命的設(shè)計(jì)要求。

3.3.2 軸的強(qiáng)度校核 為防止由于正常使用而超過軸的承受力引起變形，需準(zhǔn)確計(jì)算出軸的受力情況，進(jìn)行軸的強(qiáng)度校核[8]。由于該裝置軸轉(zhuǎn)速僅96 r/min，且用途只是安裝拉線卷筒，因此看作只受彎矩作用，轉(zhuǎn)矩可忽略不計(jì)，拉線對(duì)軸的實(shí)測(cè)拉力值為0.98 N，亦可忽略不計(jì)。由軸結(jié)構(gòu)及受力作出卷筒安裝軸受力圖見圖4。

圖4 卷筒安裝軸受力圖

如圖4所示，F(xiàn)a+Fb=Fr，因此c處彎矩最大。按照彎曲強(qiáng)度條件計(jì)算，卷筒安裝軸c處的使用應(yīng)力σca必須小于45#鋼許用彎曲應(yīng)力[σ0]=40 MPa[9]，即40 N/mm2，計(jì)算公式：

σca=M/W≤[σ0]，

(3)

式中：

σca——應(yīng)力，N/mm2；

M——軸所受的彎矩，N·mm；

W——危險(xiǎn)截面抗扭截面系數(shù)，m3；

[σ0]——45#鋼許用彎曲應(yīng)力，N/mm2。

拉線卷筒與軸總重2.4 kg，與軸承內(nèi)圈接觸軸段(危險(xiǎn)截面)直徑為20 mm，軸承中心到拉線卷筒安裝端距離162 mm，彎矩M=F×L=2.4×9.8×162=3.81×103N·mm。W=0.1d3=0.1×203=800 mm3，將上述條件代入式(3)，得σca=4.76 N/mm2<[σ0]=40 N/mm2，因此，軸的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3.3 鋼球的軸向鎖緊力 改進(jìn)后的拉線快換裝置中的壓簧和鋼球能產(chǎn)生25 N的鎖緊力，因此，拉線卷筒需要克服25 N的阻力才能脫出，而根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，拉線在運(yùn)行中僅有0.1 N的軸向力，因此運(yùn)行中，鋼球的軸向鎖緊力可以確保拉線卷筒不沿軸向脫出。

3.4 鋼珠的選擇

鋼珠選用常用軸承鋼珠，在25 N壓力時(shí)提供更大的張力，對(duì)于7 mm和8 mm直徑的鋼珠，在25 N壓力下壓簧壓縮，拉線卷筒完全脫出分別需36 N和41 N拉力，但8 mm鋼珠在25 N壓力時(shí)提供更大的張力，鎖緊效果更好，選擇采用8 mm直徑鋼珠。

3.5 壓簧的選擇

壓簧材質(zhì)需彈性強(qiáng)、耐用性好。45#鋼含碳量較低，彈性及耐用性不高，而彈簧鋼含碳量較高，具有高強(qiáng)度、高屈服極限和高疲勞極限等特點(diǎn)，因此，選用彈簧鋼作為壓簧材料。

3.6 壓力調(diào)節(jié)螺釘?shù)倪x擇

壓力調(diào)節(jié)螺釘需經(jīng)久耐用。45#鋼耐用性不高，而不銹鋼具有防生銹、防腐蝕，耐高溫等良好的機(jī)械性能，因此選用不銹鋼作為壓力調(diào)節(jié)螺釘材料。

4 效果驗(yàn)證

完成鋼珠鎖緊式拉線快換裝置的加工組裝，進(jìn)行調(diào)試運(yùn)行，為驗(yàn)證改進(jìn)效果，再次對(duì)4臺(tái)機(jī)臺(tái)8名熟練操作工更換拉線卷筒停機(jī)時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，每人進(jìn)行3次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。同時(shí)，跟蹤運(yùn)行效果，對(duì)各機(jī)臺(tái)因拉線卷筒鎖緊不到位引起的返工頻次進(jìn)行為期4周的統(tǒng)計(jì)。

由表4可知，改進(jìn)后，操作工更換拉線平均時(shí)長(zhǎng)由改進(jìn)前的90 s降到24 s。而且改進(jìn)后的各機(jī)臺(tái)運(yùn)行4周，均未發(fā)生卷筒破損、卷筒松脫、拉線跑偏等問題。上述結(jié)果表明，該裝置能大幅縮短操作工更換拉線時(shí)間，操作簡(jiǎn)便，鎖緊穩(wěn)定性好，有效解決了拉線更換費(fèi)時(shí)費(fèi)力和鎖緊力大小不穩(wěn)定的問題，改進(jìn)取得了良好效果。

表4 改進(jìn)后操作工更換拉線卷筒時(shí)長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié)論

相比于以往彈簧片鎖緊、氣撐式鎖緊等改進(jìn)方法，采用鋼珠壓簧鎖緊方式的定位裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工成本低、經(jīng)久耐用，在各類包裝機(jī)上均具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。后續(xù)工作中，可以采用不銹鋼材料并結(jié)合鏤空設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步減輕卷筒安裝軸軸重，提高其抗銹蝕性能，同時(shí)，通過在定位環(huán)凸塊處增加標(biāo)記刻度線的方式提高拉線卷筒內(nèi)芯工藝槽與裝置定位凸塊的定位精度。