尹智超 李福南 朱曉東 高秋鳳

（紅云紅河集團(tuán)昆明卷煙廠，云南 昆明 650202）

紅云紅河集團(tuán)昆明卷煙廠肩負(fù)多種規(guī)格、型號(hào)的卷煙產(chǎn)品生產(chǎn)任務(wù)，包裝設(shè)備有多種廠家、多種機(jī)型和多種轉(zhuǎn)速設(shè)備并存的特點(diǎn)。昆明卷煙廠2018—2019 年購進(jìn)4 臺(tái)ZJ118A卷煙機(jī)，主要用于生產(chǎn)100mm 細(xì)支煙[1]。

ZJ118 型卷接機(jī)組是中煙機(jī)械集團(tuán)公司以ZJ112 型卷接機(jī)組為技術(shù)平臺(tái)，自主研發(fā)的新一代國(guó)產(chǎn)中速機(jī)組，額定生產(chǎn)速度為每分鐘8000 支，由常德煙草機(jī)械有限責(zé)任公司研制完成，成為繼ZJ112、ZJ116 和ZJ117 后國(guó)產(chǎn)卷接設(shè)備的又一主力機(jī)型[2]。該機(jī)組性能穩(wěn)定，額定生產(chǎn)速度為每分鐘6000 支，逐漸成為國(guó)內(nèi)卷煙生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)細(xì)支煙的主力機(jī)型。

昆明卷煙廠ZJ118A 設(shè)備自交付使用以來，運(yùn)行過程中存在一個(gè)問題：水松紙小膠輥傳動(dòng)軸上的連接盤與小膠輥的連接銷比較細(xì)，直徑為5mm，長(zhǎng)12mm[3]。圓柱銷容易損壞，更換頻繁；連接銷硬度較高，運(yùn)行一段時(shí)間后會(huì)磨損連接盤和上膠輥銷孔，導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)生抖動(dòng)，水松紙上膠不均勻，還導(dǎo)致上膠輥與膠輥軸的接觸面磨損變形。該文針對(duì)該問題進(jìn)行研究、提出解決辦法并找出改進(jìn)措施，對(duì)ZJ118A 型卷接機(jī)水松紙涂膠裝置小膠輥進(jìn)行了改進(jìn)。

1 現(xiàn)狀

ZJ118A 卷接機(jī)組是我廠生產(chǎn)細(xì)支煙的主要煙機(jī)設(shè)備之一，但在生產(chǎn)過程中，機(jī)組有些部位長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性較差。例如水松紙小膠輥傳動(dòng)軸上的連接盤與小膠輥間靠一顆圓柱形連接銷連接，該連接銷比較細(xì)，直徑為5mm 長(zhǎng)12mm，易斷裂。根據(jù)觀察，平均一周出現(xiàn)一次銷斷裂故障。小膠輥傳動(dòng)軸容易變形，根據(jù)觀察，平均一個(gè)月需要更換一根新軸。更換傳動(dòng)總成比較麻煩，需要3 個(gè)修理人員配合才能完成，通常需要8～10 小時(shí)才能完工。

ZJ118A 的故障類型統(tǒng)計(jì)見表1。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析可知，ZJ118A 小膠輥涂膠裝置故障出現(xiàn)頻次高，維修時(shí)間長(zhǎng)，2021 年9 月—11 月出現(xiàn)次數(shù)21 次，平均維修時(shí)間為5.2h，遠(yuǎn)大于其他故障的維修時(shí)間。受其加權(quán)影響，機(jī)械設(shè)備的平均維修時(shí)間較長(zhǎng)。因此減少ZJ118A 水松紙涂膠裝置的維修頻次成為當(dāng)務(wù)之急。

表1 故障類型統(tǒng)計(jì)圖

表橫向比較不同型號(hào)卷煙機(jī)，統(tǒng)計(jì)一年之內(nèi)每臺(tái)卷煙機(jī)設(shè)備的水松紙涂膠裝置傳動(dòng)軸故障發(fā)生次數(shù)及平均維修時(shí)間，見表2。

表2 我廠各機(jī)型水松紙涂膠裝置傳動(dòng)軸故障發(fā)生次數(shù)和平均維修時(shí)間

從數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)，ZJ118A 水松紙涂膠裝置傳動(dòng)軸故障的維修頻次和時(shí)間均遠(yuǎn)大于我廠其余卷煙機(jī)機(jī)型的相應(yīng)數(shù)值，有改進(jìn)的空間和改進(jìn)的必要性。目前的主要問題是連接小膠輥銷經(jīng)常出現(xiàn)斷裂故障，導(dǎo)致軸的壽命降低，需要經(jīng)常更換。如果提升銷的強(qiáng)度，增加其壽命，就能達(dá)到降低水松紙涂膠裝置維修頻次的目的。我廠其余卷煙機(jī)型水松紙涂膠裝置傳動(dòng)軸維修頻次為平均小于1 次/年，維修時(shí)間平均為33.5min/次。希望改進(jìn)后，可以接近其余機(jī)型水松紙涂膠裝置維修時(shí)間的平均水平。

2 創(chuàng)新傳動(dòng)設(shè)計(jì)

由于目前在用的ZJ118A 機(jī)組水松紙上膠裝置系統(tǒng)有些部位的長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性能較差，影響設(shè)備持續(xù)運(yùn)行效率，水松紙上膠裝置小膠輥及其傳動(dòng)裝置經(jīng)常損壞，嚴(yán)重影響有效生產(chǎn)時(shí)間，因此該文制定了改進(jìn)目標(biāo)，改進(jìn)ZJ118A 機(jī)組水松紙上膠裝置小膠輥傳動(dòng)件。經(jīng)討論，最終決定從小膠輥傳動(dòng)件的結(jié)構(gòu)、材料和表面熱處理方向入手提高小膠輥傳動(dòng)件的強(qiáng)度，提高設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間、生產(chǎn)效率，并降低質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)和水松紙上膠裝置傳動(dòng)件維修、更換頻率，維修時(shí)間可以接近其余機(jī)型水松紙涂膠裝置維修時(shí)間的平均水平（33.5min/次）。

通過觀察可知，在徹底損壞前，小膠輥連接盤及傳動(dòng)軸表面已經(jīng)出現(xiàn)了損傷，傳動(dòng)件間的連接間隙越來越大，曠量不斷增加，導(dǎo)致小膠輥運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)擺動(dòng)，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間越來越短，直到徹底損壞，不能使用。這期間，小膠輥運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)會(huì)導(dǎo)致水松紙上膠不均勻，在生產(chǎn)過程中會(huì)不斷出現(xiàn)漏氣煙、掉頭煙等。同時(shí)，水松紙上膠不好也會(huì)增加堵搓板等其他故障頻率，增加質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率。

通過分析水松紙小膠輥傳動(dòng)軸上的連接盤與小膠輥的結(jié)構(gòu)和工作方式，該文發(fā)現(xiàn)小膠輥連接盤與小膠輥間靠2 顆圓柱形連接銷連接，該連接銷比較細(xì)，只有5mm，每月會(huì)出現(xiàn)1～2 次折斷現(xiàn)象。連接銷硬度較高，運(yùn)行一段時(shí)間后就會(huì)磨損連接盤及上膠輥銷孔，使孔徑增大、變形，同時(shí)在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象，導(dǎo)致水松紙上膠不均勻和上膠輥、膠輥軸的接觸面磨損變形。分析認(rèn)為，圓柱銷運(yùn)行過程是點(diǎn)線接觸，銷和孔的接觸面受力較大，容易發(fā)生折斷和變形。圓柱銷硬度高于連接盤及上膠輥硬度，運(yùn)行一段時(shí)間后，會(huì)磨損孔徑，使其增大、變形[4]。

根據(jù)銷的用途，可以將銷分為定位銷、連接銷和安全銷。定位銷用來固定零件間的相對(duì)位置，是組合加工和裝配時(shí)的重要輔助零件；連接銷用于連接，可傳遞不大的載荷；安全銷可作為安全裝置中的過載剪斷元件。銷有多種類型，如圓柱銷、圓錐銷、槽銷、銷軸和開口銷等。如圖1 所示，ZJ118A 機(jī)組的水松紙涂膠裝置小膠輥連接盤上的2 個(gè)銷屬于圓柱銷，主要起到固定小膠輥和傳動(dòng)軸間的相對(duì)位置并傳遞載荷的作用。圓柱銷靠過盈配合固定在銷孔中，多次拆裝會(huì)降低其定位精度和可靠性。圓柱銷的直徑偏差有2 種，h8 和m6，以滿足不同的使用要求。定位銷一般用2 個(gè)，其直徑根據(jù)結(jié)構(gòu)決定，應(yīng)保證在拆裝時(shí)不產(chǎn)生永久變形。中小尺寸的機(jī)械常用直徑為10mm～16mm 的銷釘。銷的材料通常為35 或45 鋼，并進(jìn)行表面硬化處理。對(duì)動(dòng)載荷連接工況來說，許用切應(yīng)力為[τ]=80MPa～100MPa，許用彎曲應(yīng)力[σb]=120MPa～150MPa，許用擠壓應(yīng)力[σbs]100MPa～120MPa，許用壓力[p]=40MPa，要有剪切和擠壓。小膠輥連接盤銷聯(lián)接經(jīng)常發(fā)生斷裂，經(jīng)分析，主要原因是在所傳遞的載荷下，抗剪強(qiáng)度條件和抗壓強(qiáng)度條件達(dá)不到要求。

圖1 ZJ118A 水松紙涂膠裝置小膠輥傳動(dòng)軸連接盤

切應(yīng)力是單位面積的剪切力，通常用τ表示。設(shè)剪切面積為A，剪切力為FQ，則剪切面上的切應(yīng)力如公式（1）所示。

當(dāng)小膠輥轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，小膠輥連接盤銷的受力示意圖如圖2 所示。由于力的相互性，因此在傳遞運(yùn)動(dòng)過程中，銷的兩端受方向相反的2 個(gè)力的作用。此時(shí)銷受剪切作用，如果材料強(qiáng)度達(dá)不到要求，銷就會(huì)發(fā)生斷裂。由于該小膠輥連接盤屬于低中強(qiáng)度材料的小型結(jié)構(gòu)，無須考慮裂紋造成的低應(yīng)力脆斷，運(yùn)用以應(yīng)力和許用應(yīng)力來度量和控制結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與安全性的傳統(tǒng)強(qiáng)度理論即可。在水松紙的上膠過程中，傳動(dòng)載荷是不變的，即剪切力FQ是保持不變的，要想抗剪切強(qiáng)度達(dá)到要求，就必須增加銷的截面積，也就是增加銷的直徑。

圖2 銷聯(lián)接受剪切力圖

在水松紙上膠過程中，膠輥的運(yùn)動(dòng)依靠小膠輥連接盤的銷傳遞，因此在運(yùn)動(dòng)傳遞過程中，小膠輥連接盤銷除了受剪切力作用，還會(huì)受小膠輥和傳動(dòng)軸的擠壓作用。小膠輥連接盤銷受擠壓力作用示意圖如圖3 所示。此時(shí)不僅應(yīng)考慮銷的剪切強(qiáng)度，還應(yīng)考慮銷的接觸強(qiáng)度。機(jī)械中各零件間力的傳遞總是通過2 個(gè)零件的接觸來實(shí)現(xiàn)的，圓柱銷接觸屬于線接觸，接觸應(yīng)力過大。

圖3 銷聯(lián)接受擠壓力圖

構(gòu)件受擠壓變形時(shí)，相互擠壓的接觸面稱為擠壓面，用Ajy表示。作用于擠壓面上的力稱為擠壓力，用Fjy表示。擠壓力與擠壓面相互垂值。擠壓面上的擠壓應(yīng)力如公式（2）所示。

卷包車間維修團(tuán)隊(duì)曾嘗試在連接盤、上膠輥原銷孔對(duì)稱處增加銷孔及圓柱銷，對(duì)配件進(jìn)行改造，但經(jīng)過上機(jī)試驗(yàn)，問題依然存在。

經(jīng)進(jìn)一步分析，該文認(rèn)為圓柱銷運(yùn)行過程是線接觸，容易折斷。圓柱銷硬度高于連接盤及上膠輥硬度，運(yùn)行一段時(shí)間后，會(huì)磨損孔徑，使其增大、變形。解決方法就是改變銷和孔的接觸方式，以減少應(yīng)力；變圓柱銷為方形銷，變線接觸為面接觸，實(shí)現(xiàn)小膠輥連接盤傳動(dòng)的共形接觸，即兩相互接觸面的幾何形態(tài)完全相同，處處貼合，減少不必要的晃動(dòng)和磨損；加粗鎖緊螺桿，增大鎖緊壓力，減少相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并通過熱處理方式提高小膠輥與膠輥軸配合面強(qiáng)度，增強(qiáng)膠輥軸耐磨性。如對(duì)表面進(jìn)行淬火處理，則需用壓力可提高2～3 倍。改進(jìn)后的水松紙小膠輥傳動(dòng)軸連接盤如圖4 所示。

圖4 改進(jìn)后的ZJ118A 水松紙涂膠裝置小膠輥傳動(dòng)軸連接盤

3 材料選擇

銷的材料通常為35 或45 鋼，并進(jìn)行硬化處理，許用切應(yīng)力[τ]=80MPa～100MPa，許用彎曲應(yīng)力[σb]=120MPa～150MPa。彈性圓柱銷多用65Mn，其許用切應(yīng)力[τ]=120MPa～130MPa，受力較大，要求抗腐蝕等的場(chǎng)合可以采用3OCrMnSiA、1Crl3、2Cr15、H63、1CrISNi9Ti 等。ZJ118A 卷接機(jī)組水松紙涂膠裝置主要功能零部件的常用材料見表3。為了制作出硬度高、不易變形且成本低的零件，該文通過市場(chǎng)調(diào)研，從45 鋼、1Cr18Ni9Ti（不銹鋼）和7050 鋁合金中進(jìn)行選擇。45鋼的硬度為229HBC，密度為7.85g/cm，屈服強(qiáng)度為355MPa，成本為8 元/公斤；1Cr18Ni9Ti 的硬度為187HBC，密度為7.93g/cm，屈服強(qiáng)度為205MPa，成本為8.9 元/公斤；7050鋁合金的硬度為135HBC，密度為2.70g/cm，屈服強(qiáng)度為455MPa，成本為50 元/公斤。綜上所述，45 鋼成本低、強(qiáng)度高，1Cr18Ni9Ti 成本低、強(qiáng)度低，7050 鋁合金成本高、強(qiáng)度高，因此該文采用45 鋼為零件材質(zhì)。

4 結(jié)論

加工所需配件全部到位后，在一臺(tái)設(shè)備上率先進(jìn)行改造，更換專門定制的膠輥軸、連接盤、上膠輥，開機(jī)試運(yùn)行并進(jìn)行檢驗(yàn)。

經(jīng)過多輪反復(fù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，改造后的設(shè)備整體運(yùn)行情況平穩(wěn)，原來斷銷、銷孔變形/增大、膠輥抖動(dòng)以及膠輥軸磨損的情況不復(fù)存在，水松紙漏氣、過濾嘴掉嘴等問題也迎刃而解。目前設(shè)備有效作業(yè)率達(dá)98%，有效節(jié)約了設(shè)備維修成本。以前每次維修都要更換膠輥軸、連接盤和膠輥整套配件，改造后軸結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度得到了優(yōu)化，截至目前未再損壞、更換，有效提高了生產(chǎn)效率，在行業(yè)內(nèi)屬于首創(chuàng)，在同類卷煙接裝設(shè)備中具有較好的推廣價(jià)值。