施忠兵，吳建軍，陸宇楨

上海煙草機(jī)械有限責(zé)任公司，上海浦東金橋出口加工區(qū)桂橋路750 號(hào) 201206

ZB45 硬盒硬條包裝機(jī)組主要用于生產(chǎn)傳統(tǒng)的兩包五列式條煙，而近年來(lái)出現(xiàn)了一種五包兩列式異型條煙，由于傳統(tǒng)的ZB45 無(wú)法實(shí)現(xiàn)異型煙生產(chǎn)，卷煙企業(yè)大多采用人工方式包裝，生產(chǎn)效率低且包裝質(zhì)量不穩(wěn)定。針對(duì)ZB45 目前已有較多改進(jìn)和研究，喻樹洪等［1］通過(guò)改進(jìn)ZB45 的鋁箔紙?zhí)蕹姶盆F，解決了鋁箔紙下紙歪斜現(xiàn)象；包?。?］通過(guò)改進(jìn) ZB45 的 CH 補(bǔ)償煙庫(kù)，解決了煙包因摩擦導(dǎo)致的磨損問(wèn)題；何平等［3］通過(guò)改進(jìn)ZB45的下煙通道，提高了煙支下落順暢度及穩(wěn)定性。但對(duì)其包裝形式的改進(jìn)設(shè)計(jì)則鮮見(jiàn)報(bào)道。為此，以廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的“郵喜”牌異型煙為對(duì)象，通過(guò)對(duì)ZB45 現(xiàn)有包裝工藝路線分析，研制了ZB45 異型硬條硬盒包裝機(jī)組，以期實(shí)現(xiàn)異型煙的自動(dòng)化生產(chǎn)，滿足設(shè)備對(duì)包裝形式多樣化需求。

1 問(wèn)題分析

兩包五列（俗稱二五平包）堆疊是目前最常見(jiàn)的煙包堆疊方式，每列由上下兩包煙組成，平排五列堆疊，見(jiàn)圖1a；五包兩列堆疊是每列由上下五包煙堆疊而成，煙包左右兩列并齊，見(jiàn)圖1b。五包兩列屬于異型堆疊包裝方式，一般采用人工進(jìn)行包裝，傳統(tǒng)的ZB45 無(wú)法實(shí)現(xiàn)五包兩列堆疊，從而影響該機(jī)型的生產(chǎn)適應(yīng)性。

圖1 煙包堆疊方式示意圖Fig.1 Schematic diagram of cigarette packets collation

2 設(shè)計(jì)方法

2.1 煙包堆疊工藝路線

兩包五列煙包堆疊工藝路線見(jiàn)圖2。在工位I，由推桿1 將單個(gè)煙包2 推入到提升位置，經(jīng)提升器4 將煙包2 提升至彈簧復(fù)位擋塊上方并堆疊；在工位Ⅱ，二次堆疊后，雙聯(lián)輸出推手3 右移將堆疊煙包組輸入到分度轉(zhuǎn)塔5 并向左返回，利用彈簧旋轉(zhuǎn)避讓裝置，在其返回時(shí)避讓后方煙包；在工位Ⅲ，分度轉(zhuǎn)塔5 將由兩個(gè)煙包組成的煙包組輸送到輸出位置；在工位Ⅳ，雙聯(lián)輸出推手3 將煙包組從分度轉(zhuǎn)塔5 中輸出，實(shí)現(xiàn)煙包組排列；當(dāng)煙包組排列成五列時(shí)，兩包五列煙包組6 被輸送到硬條包裝工位，完成硬條包裝。

五包兩列煙包堆疊工藝路線見(jiàn)圖3。在兩包五列堆疊工藝的基礎(chǔ)上，僅對(duì)工位Ⅱ進(jìn)行了改進(jìn)，提升五包煙包后由雙聯(lián)輸出推手3 向右推送進(jìn)入分度轉(zhuǎn)塔5，經(jīng)雙聯(lián)輸出推手3 再推出分度轉(zhuǎn)塔5，實(shí)現(xiàn)煙包組五包兩列排列，并進(jìn)入硬條包裝工位。

2.2 堆疊裝置

由圖3 可見(jiàn)，煙包堆疊裝置主要由提升器4 和雙聯(lián)輸出推手3 組成，分別實(shí)現(xiàn)煙包提升堆疊和煙包輸出動(dòng)作。

2.2.1 傳動(dòng)比設(shè)計(jì)

由圖 4 可見(jiàn)，主電機(jī) 1 先通過(guò)帶輪2 和3 傳動(dòng)，再經(jīng)過(guò)齒輪 4、5 和 6 傳動(dòng)給提升凸輪 9；齒輪 6 經(jīng)過(guò)齒輪7 傳動(dòng)給齒輪8 及其推手凸輪10。改進(jìn)前是堆疊兩包再輸出，改進(jìn)后是每次提升堆疊五包煙包，再對(duì)該煙包組進(jìn)行輸出。因此，提升器與雙聯(lián)輸出推手之間的傳動(dòng)比z 要從原有的Z8/Z7=2∶1改進(jìn)為5∶1，即z=5。

2.2.2 凸輪行程分析

圖2 兩包五列堆疊工藝路線Fig.2 Collation procedure of two-packet and five-row

圖3 五包兩列堆疊工藝路線Fig.3 Collation procedure of five-packet and two-row

圖4 提升器和輸出推手凸輪傳動(dòng)原理圖Fig.4 Transmission principle between elevator and discharge pusher cam

改進(jìn)前煙包尺寸為 88.7（A1）mm×55.7（B1）mm×23.2（C1）mm，改進(jìn)后煙包尺寸為 89.5（A2）mm×58.5（B2）mm×15.5（C2）mm。原有提升器凸輪行程L=47 mm，煙包厚度C1=23.2 mm，改進(jìn)后煙包厚度C2=15.5 mm，小于改進(jìn)前煙包尺寸，故提升凸輪不變。原有雙聯(lián)輸出推手凸輪行程S1=138 mm，改進(jìn)后雙聯(lián)輸出推手凸輪行程S＞S1+B2-B1=140.8 mm，因此需重新設(shè)計(jì)，改進(jìn)后行程S=142 mm。

2.2.3 堆疊動(dòng)作設(shè)計(jì)

由圖5 可見(jiàn)，提升器采用的是凸輪直動(dòng)機(jī)構(gòu)［4］，即凸輪 1 直行驅(qū)動(dòng)提升桿 2 上下運(yùn)動(dòng)，β1為凸輪角位移，彈簧5 可以復(fù)位擋塊4，擋塊4 防止煙包跌落。由于煙包堆疊高度改變，護(hù)板6 等零件的高度H 需要修改，且不能小于煙包堆疊高度。

由圖6 可見(jiàn)，雙聯(lián)輸出推手采用的是圓柱凸輪驅(qū)動(dòng)正切機(jī)構(gòu)［5］，即圓柱凸輪 1 驅(qū)動(dòng)擺桿 2 和連桿 3，進(jìn)而帶動(dòng)滑塊 5 及支架 6 左右運(yùn)動(dòng)，β2為圓柱凸輪角位移。推手8 與支架6 采用鉸接安裝，在回程干涉后續(xù)煙包時(shí)可以逆時(shí)針回轉(zhuǎn)，避讓煙包9，并在完成避讓后通過(guò)彈簧7 復(fù)位。改進(jìn)后提升器與雙聯(lián)輸出推手之間的傳動(dòng)比為5∶1，因此提升器凸輪旋轉(zhuǎn)1 800°時(shí)，雙聯(lián)輸出推手凸輪旋轉(zhuǎn)360°，二者的相位關(guān)系見(jiàn)圖7。

圖5 提升器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure of elevator

圖6 雙聯(lián)輸出推手結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Structure of double discharge pusher

在提升器凸輪與雙聯(lián)輸出推手凸輪完成一列五包周期中，提升器相位保持不變，僅改進(jìn)雙聯(lián)輸出推手凸輪相位動(dòng)作，即可實(shí)現(xiàn)兩列五包煙包堆疊動(dòng)作，提升器與推手相位關(guān)系見(jiàn)表1?？梢?jiàn)，推手在 0°～80°完成推煙，80°～136°返回，136°～360°停止等待；在400°～680°返回時(shí)產(chǎn)生干涉，在此采用了彈簧旋轉(zhuǎn)避讓設(shè)計(jì)。由圖6 和圖8 可見(jiàn)，推手5 的水平行程以擺桿2 鉸接點(diǎn)為0 位，向左為負(fù)行程，極限值為-71.4 mm，向右為正行程，極限值為70.6 mm，總行程為142 mm。

圖7 提升器凸輪與雙聯(lián)輸出推手凸輪相位關(guān)系Fig.7 Phase relation between elevator cam and discharge pusher cam

表1 提升器與推手的相位關(guān)系Tab.1 Phase relation between elevator and pusher

圖8 推手的行程圖Fig.8 Movement of pusher

2.2.4 雙聯(lián)輸出推手凸輪設(shè)計(jì)

在一個(gè)工作循環(huán)中，改進(jìn)后五包堆疊次數(shù)是兩包堆疊的2.5 倍，且五包堆疊高度為77.5 mm（5×C2），其重心位置相對(duì)兩包堆疊增加67%，直接影響包裝機(jī)組煙包堆疊和輸送過(guò)程的穩(wěn)定性。因此，改進(jìn)后ZB45 生產(chǎn)速度由原來(lái)的400 包/min 降低為280 包/min，屬于中低速生產(chǎn)。為此，基于凸輪從動(dòng)件行程S=142 mm，采用了運(yùn)動(dòng)綜合性能較好的 3-4-5 次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律［6］。由圖 6 和圖 9 可見(jiàn)，以圓柱凸輪1 旋轉(zhuǎn)中心與擺桿2 旋轉(zhuǎn)中心水平連線為X 軸，以圓柱凸輪1 旋轉(zhuǎn)中心垂直向上方向?yàn)閅 軸，以圓柱凸輪1 旋轉(zhuǎn)中心垂直XOY 面向外為Z 軸建立空間坐標(biāo)系XYZ。其中，已知擺桿2 長(zhǎng)度為l2，圓柱凸輪1 旋轉(zhuǎn)中心到擺桿2 旋轉(zhuǎn)中心X 方向距離為c，擺桿2 旋轉(zhuǎn)中心與銷4 中心Y 方向垂直距離為h，擺桿2 與連桿3 固定夾角為δ，滑塊5的移動(dòng)位移為s。

首先結(jié)合圖9 和3-4-5 次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律，建立推手的位移運(yùn)動(dòng)方程［7］：

圖9 圓柱面凸輪的坐標(biāo)系Fig.9 Coordinate of cylindrical cam

然后在圖9 的坐標(biāo)系下，建立圓柱凸輪的理論輪廓方程：

由式（1）和式（2）可以計(jì)算得到改進(jìn)后圓柱凸輪的輪廓。通過(guò)Creo 軟件對(duì)其進(jìn)行曲率分析，結(jié)果見(jiàn)圖10?？梢?jiàn)，改進(jìn)后圓柱凸輪的曲率保持連續(xù)，符合凸輪運(yùn)動(dòng)要求，且曲率半徑滿足凸輪滾子半徑r 為10 mm 的空間結(jié)構(gòu)要求。

圖10 凸輪曲率分析圖Fig.10 Curvature of cylindrical cam

3 應(yīng)用效果

3.1 仿真試驗(yàn)

建立 Creo 模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真［8］，分析改進(jìn)后推手運(yùn)動(dòng)曲線和凸輪壓力角特性，結(jié)果見(jiàn)圖11 和圖12?？梢?jiàn)，改進(jìn)后推手運(yùn)動(dòng)曲線與圖8 完全匹配，符合堆疊動(dòng)作設(shè)計(jì)要求；凸輪最大進(jìn)程壓力角為 45.14 o，符合壓力角許用要求［9］。

圖11 改進(jìn)后推手運(yùn)動(dòng)曲線Fig.11 Movement curve of pusher after modification

圖12 凸輪壓力角α分布圖Fig.12 Distribution of pressure angle α of cam

3.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

材料：“郵喜”牌卷煙（煙支直徑 7 mm）（由廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司提供）。

設(shè)備和儀器：ZB45 異型硬盒硬條包裝機(jī)組（上海煙草機(jī)械有限責(zé)任公司）；YB17B 型卸盤機(jī)（許昌煙草機(jī)械有限責(zé)任公司）；聲級(jí)計(jì)NL-20（上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院）。

方法：ZB45 異型硬盒硬條包裝機(jī)組運(yùn)行速度280 包/min，連續(xù)運(yùn)行3 個(gè)班次，每班次工作時(shí)間8 h，對(duì)機(jī)組29 個(gè)位置點(diǎn)進(jìn)行噪聲監(jiān)測(cè)并取最大噪聲值及平均值［10］；統(tǒng)計(jì)實(shí)際包裝產(chǎn)量及機(jī)組有效運(yùn)行時(shí)間；每隔2 h 人工抽取2 條煙，共56 條，根據(jù)GB 5606.3—2005［11］標(biāo)準(zhǔn)檢查條煙包裝質(zhì)量。

3.3 數(shù)據(jù)分析

由表2 可見(jiàn)，ZB45 包裝機(jī)組3 個(gè)班次最大運(yùn)行噪音均低于85 dB，平均噪聲為82.1 dB。由表3 可見(jiàn)，3 個(gè)班次有效運(yùn)行率均大于85%，平均有效運(yùn)行率為89.4%，測(cè)試結(jié)果均符合Q31/0115000144C012—2019 標(biāo)準(zhǔn)要求［10］。抽檢的 56條煙包裝質(zhì)量合格率達(dá)到100%。

表2 運(yùn)行噪聲統(tǒng)計(jì)Tab.2 Noise level while machine running

表3 有效運(yùn)行率統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistic data of effective running efficiency

4 結(jié)論

ZB45 異型硬盒硬條包裝機(jī)組通過(guò)改進(jìn)煙包堆疊包裝工藝、計(jì)算傳動(dòng)比參數(shù)、重新設(shè)計(jì)提升器和輸送推手裝置，實(shí)現(xiàn)了異型煙即五包兩列式條煙包裝，提升了ZB45 的包裝生產(chǎn)適應(yīng)性。以廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的“郵喜”牌卷煙為對(duì)象對(duì)ZB45 進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，額定生產(chǎn)能力280 包/min，有效運(yùn)行效率89.4%，運(yùn)行噪聲82.1 dB，包裝質(zhì)量抽檢合格率100%，均符合國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，能夠滿足異型煙包裝生產(chǎn)需求，有效提高了異型煙包裝生產(chǎn)自動(dòng)化水平。