張成鵬，趙 舉，秦學(xué)軍，張加義，張 杰，李 峰

山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司濟(jì)南卷煙廠，濟(jì)南市高新區(qū)科航路2006 號 250104

ZB47型硬盒硬條包裝機(jī)組由YB47型硬盒包裝機(jī)、YB517型盒外透明紙包裝機(jī)、YB617型硬條包裝機(jī)以及YB917 型條外透明紙包裝機(jī)組成，是基于意大利G.D公司專有技術(shù)轉(zhuǎn)化設(shè)計的國產(chǎn)高速包裝設(shè)備［1-3］。其中，YB917 包裝機(jī)主要完成條盒外部透明紙包裝工作［4］。在透明紙折疊成型過程中，因存在條煙外形不方正、第一提升器內(nèi)條煙提升不到位等問題，長邊折疊器容易擠壓條煙并造成折疊通道堵塞，嚴(yán)重時損壞長邊折疊器，影響設(shè)備生產(chǎn)效率。近年來，針對各種型號條外透明紙包裝機(jī)已有較多研究及改進(jìn)。商保鵬［5］在YB917包裝機(jī)的第一提升通道上方壓板處設(shè)計了一種檢測裝置，解決了第一接應(yīng)桿容易被擠壓等問題；黃城寶等［6］基于YB95包裝機(jī)設(shè)計了一種可分離式條煙推送裝置，解決了因條煙輸出通道堵塞而造成的條煙擠壓問題，縮短了堵塞通道清理時間；王林鵬等［7］對YB917 包裝機(jī)的條煙提升器進(jìn)行改進(jìn)，采用雙氣缸、大功率電機(jī)重新設(shè)計傳動系統(tǒng)，降低了條煙提升輸送裝置的停機(jī)次數(shù)；李乾等［8］通過設(shè)計YB95 包裝機(jī)出口與條煙提升器入口聯(lián)動裝置，縮短了因條煙入口堵塞而導(dǎo)致的設(shè)備停機(jī)時間。但關(guān)于YB917包裝機(jī)長邊折疊器易損壞并導(dǎo)致條煙變形等問題則鮮見研究報道。為此，設(shè)計了一種帶有觸發(fā)裝置的離合式長邊折疊器，當(dāng)折疊通道堵塞時設(shè)備能夠及時停機(jī)，以期避免長邊折疊器受損，縮短變形條煙清理時間。

1 問題分析

1.1 工作原理

YB917包裝機(jī)條外透明紙長邊折疊機(jī)構(gòu)由第一提升器、長邊折疊器、推條器和折疊通道等組成，透明紙折疊過程見圖1。當(dāng)?shù)谝惶嵘鳎?）將條煙提升至與折疊通道底面（5）高度一致時，透明紙的后上折邊、前上折邊已折疊完成；當(dāng)長邊折疊器（2）向右移動完成透明紙后下折邊的折疊后，推條器（3）與長邊折疊器一起向右移動將條煙推送至折疊通道內(nèi)，同時完成前下折邊的折疊［9］。

圖1 條外透明紙長邊折疊過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of long side folding process of carton overwrap film

由圖2可見，長邊折疊器為膠木材質(zhì)的長方形折疊板，依靠凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳動并通過螺釘固定在傳動軸上。凸輪機(jī)構(gòu)由凸輪（3）、滾子（4）、擺桿（5）、連桿（6）、導(dǎo)向套（7）以及傳動軸（2）組成。其中，凸輪為端面槽凸輪，安裝在擺桿一端的滾子嵌裝在凸輪槽內(nèi)，擺桿另一端通過連桿與傳動軸相連；傳動軸隨擺桿做周期運(yùn)動，并在導(dǎo)向套的導(dǎo)向作用下帶動長邊折疊器（1）做往復(fù)直線運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)透明紙后下折邊的折疊。

圖2 長邊折疊器結(jié)構(gòu)與傳動原理圖Fig.2 Structure and transmission schematic diagram of long side panel folder

1.2 存在問題

YB917 包裝機(jī)在運(yùn)行過程中，當(dāng)條煙外形不方正或第一提升器內(nèi)條煙提升不到位時，向右移動的長邊折疊器會擠壓條煙，導(dǎo)致條煙無法順利進(jìn)入折疊通道并堵塞在通道內(nèi)難以取出；因長邊折疊器的傳動路線上未設(shè)置過載保護(hù)裝置，發(fā)生條煙堵塞時只能依靠第一提升器的過載保護(hù)裝置使設(shè)備停機(jī)，導(dǎo)致長邊折疊器因停機(jī)滯后而長時間擠壓條煙造成條煙變形。

2 離合式長邊折疊器的設(shè)計

為解決設(shè)備停機(jī)不及時、清理變形條煙費(fèi)時費(fèi)力等問題，需要在長邊折疊器上增加過載保護(hù)功能。因此，設(shè)計一種帶觸發(fā)裝置的離合式長邊折疊器。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

離合式長邊折疊器由內(nèi)外固定座（40Cr材質(zhì)［10］）、活動板（鋁鎂合金材質(zhì)［10］）、觸發(fā)裝置以及電感式接近開關(guān)［11］組成，見圖3。內(nèi)固定座（1）和外固定座（2）上通過螺釘（6）固定有釹鐵硼強(qiáng)磁鐵（5），活動板（3）上通過螺釘（9）固定有內(nèi)鐵塊（7）和外鐵塊（8），內(nèi)、外鐵塊在磁鐵的作用下分別與內(nèi)、外固定座吸合在一起，實(shí)現(xiàn)了活動板與固定座之間的磁性連接?；顒影迮c固定座之間設(shè)置的V 型槽（4）具有定位和導(dǎo)向作用，為保證活動板脫離固定座時移動順暢且不發(fā)生晃動，可以通過調(diào)整內(nèi)、外固定座之間的距離，使固定座與活動板的下配合面相互接觸，上配合面間隙為0.01 mm?；顒影宓亩瞬吭O(shè)計有圓柱銷（13），與固定座上未完全貫穿的圓柱銷槽（14）相配合（圖3b），當(dāng)活動板受到條煙阻力而脫離原工作位置滑動至終點(diǎn)時，活動板能夠及時停止運(yùn)動且不會掉落?；陔p搖桿機(jī)構(gòu)設(shè)計的觸發(fā)裝置（10）安裝在外固定座的側(cè)面，依靠磁鐵的吸力和彈片（11）的彈力觸發(fā)裝置動作；電感式接近開關(guān)（12）固定在包裝機(jī)機(jī)架上，以檢測觸發(fā)裝置的位置狀態(tài)。

圖3 離合式長邊折疊器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure of clamp-type long side panel folder

2.2 觸發(fā)裝置工作原理

如圖4所示，觸發(fā)裝置由支架（1）、搖桿（2，5）、連桿（3）、彈片（4）組成。其中，通過螺釘固定在支架上的彈片選用60Si2Mn材質(zhì)［12］，具有良好的彈性變形能力。當(dāng)離合式長邊折疊器正常工作時，觸發(fā)裝置處于壓縮狀態(tài)（圖4a），外鐵塊（6）與外固定座（7）吸合在一起并推動連桿克服彈片彈力向右上方移動，使連桿遠(yuǎn)離電感式接近開關(guān)（9）且雙搖桿保持向右傾斜狀態(tài)；當(dāng)活動板（8）受到條煙阻力并帶動外鐵塊克服磁鐵吸力脫離原工作位置向左滑出時，觸發(fā)裝置由壓縮狀態(tài)轉(zhuǎn)換至伸展?fàn)顟B(tài)（圖4b），連桿因不受外鐵塊作用力而在彈片彈力作用下向左下方移動靠近電感式接近開關(guān)，同時雙搖桿改變?yōu)樨Q直狀態(tài)。電感式接近開關(guān)型號為BALLUFF BES 516-131-S4-C（德國巴魯夫公司），將其檢測信號與第一提升器檢測（3S512）信號串聯(lián)，當(dāng)接近開關(guān)檢測到連桿靠近時設(shè)備停機(jī)，同時IPC 人機(jī)對話顯示器上出現(xiàn)紅色報警信息“CV 第一提升器堵塞”。操作人員可根據(jù)提示查看第一提升器部位狀況，若是離合式長邊折疊器堵塞，活動板已向左滑出，取出條煙后，將活動板復(fù)位并重新啟動設(shè)備即可。支架、搖桿和連桿之間采用圓柱銷釘鉸接，形成雙搖桿機(jī)構(gòu)，而雙搖桿機(jī)構(gòu)動作時要求圓柱銷釘與圓孔的摩擦力較小。因此，采用帶槽圓柱銷釘并加注潤滑脂進(jìn)行鉸接，以保證雙搖桿機(jī)構(gòu)動作迅速，防止卡死。

2.3 觸發(fā)裝置參數(shù)設(shè)計

如圖5 所示，A、B、C、D 點(diǎn)分別代表雙搖桿兩端的圓柱銷釘，E、F 點(diǎn)為連桿上兩個固定點(diǎn)，E、F 兩點(diǎn)間的距離與A、B 兩點(diǎn)間的距離相等且固定長度為90 mm，當(dāng)觸發(fā)裝置處于壓縮狀態(tài)和伸展?fàn)顟B(tài)時，連桿EF與AB之間的垂直距離分別為：

圖5 觸發(fā)裝置位移變化示意圖Fig.5 Schematic diagram of displacement of trigger device

式中：h為壓縮狀態(tài)下EF與AB之間的垂直距離，mm；H為伸展?fàn)顟B(tài)下EF與AB之間的垂直距離，mm；α為搖桿與水平方向的夾角，（°）；AC、CE 分別為A、C 兩點(diǎn)和C、E兩點(diǎn)間的距離，mm。

當(dāng)離合式長邊折疊器因活動板與固定座產(chǎn)生位移導(dǎo)致觸發(fā)裝置從壓縮狀態(tài)轉(zhuǎn)換至伸展?fàn)顟B(tài)時，連桿垂直位移變化量X（mm）為：

根據(jù)離合式長邊折疊器的實(shí)際尺寸，將搖桿長度設(shè)計為9 mm，即AC=BD=9 mm。當(dāng)觸發(fā)裝置處于壓縮狀態(tài)時，連桿應(yīng)盡可能地遠(yuǎn)離接近開關(guān)，避免因誤測而造成設(shè)備停機(jī)；當(dāng)觸發(fā)裝置處于伸展?fàn)顟B(tài)時，連桿應(yīng)盡可能地靠近接近開關(guān)，以準(zhǔn)確觸發(fā)報警信號使設(shè)備及時停機(jī)。由公式（2）可知，α越小，連桿的垂直位移變化量X 越大，能夠更好地滿足連桿在壓縮狀態(tài)下遠(yuǎn)離接近開關(guān)而伸展?fàn)顟B(tài)下靠近接近開關(guān)的運(yùn)行要求。綜合考慮彈片使用壽命等因素，最終確定α=45°，連桿的垂直位移變化量X=2.64 mm。電感式接近開關(guān)的有效檢測距離為4 mm［13］，故將壓縮狀態(tài)下接近開關(guān)與連桿的垂直距離設(shè)置為5 mm，伸展?fàn)顟B(tài)下接近開關(guān)與連桿的垂直距離為2.36 mm，能夠滿足檢測要求。

2.4 釹鐵硼強(qiáng)磁鐵選型

搖桿AC、BD均為二力桿［14］，為方便計算，假定圓柱銷釘與搖桿之間的接觸絕對光滑，即構(gòu)成光滑圓柱鉸鏈約束。如圖6所示，對壓縮狀態(tài)下的連桿和搖桿進(jìn)行受力分析［15］，可得：

圖6 觸發(fā)裝置受力分析圖Fig.6 Force analysis of trigger device

式中：FAX和FAY分別為鉸鏈A約束反力的水平方向分力和豎直方向分力，N；FBX和FBY分別為鉸鏈B約束反力的水平方向分力和豎直方向分力，N；F1為連桿受到外鐵塊的推力，N；F2為彈片施加給連桿的作用力，N；FA和FB分別為鉸鏈A和鉸鏈B的約束反力，N。

由于α=45°，根據(jù)公式（3）計算可得：

在壓縮狀態(tài)下測量觸發(fā)裝置彈片彈力F2≈10 N，由公式（4）可知連桿所受推力F1≈10 N。如圖7所示，對正常工作時和條煙阻塞時的活動板進(jìn)行受力分析，可得：

圖7 正常工作和條煙阻塞時活動板受力分析Fig.7 Force analysis of movable plate during normal operation and cigarette carton jamming

式中：F3為正常工作時磁鐵對鐵塊的吸力，N；F3′為條煙阻塞時磁鐵對鐵塊的吸力，N；F4為連桿對鐵塊的反作用力，N；F5為正常工作時折疊透明紙折邊時對活動板的阻力，N；F6為條煙阻塞時長邊折疊器受到的最大阻力（確保長邊折疊器不變形），N；Q 為設(shè)計要求磁鐵對鐵塊的吸力，N。

經(jīng)測量，F(xiàn)5=5.24 N，F(xiàn)6=18.12 N，已知F4=F1≈10 N，可得7.62 N＜Q＜14.06 N。對不同規(guī)格的磁鐵進(jìn)行吸力測試并結(jié)合磁鐵安裝位置要求，確定磁鐵的長、寬、高分別為20、8、3 mm。

3 應(yīng)用效果

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計

材料：“泰山（紅將軍）”牌卷煙（山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司濟(jì)南卷煙廠提供）。

設(shè)備：6臺ZB47型硬盒硬條包裝機(jī)組（上海煙草機(jī)械有限責(zé)任公司）。

方法：①長邊折疊器改進(jìn)前后，分別統(tǒng)計6 臺YB917包裝機(jī)長邊折疊器的損壞次數(shù)及變形條煙數(shù)量，統(tǒng)計時間為3個月，取平均值。其中，長邊折疊器發(fā)生變形、斷裂、螺紋絲管滑脫或螺孔崩裂等現(xiàn)象均視為損壞，變形條煙因產(chǎn)品質(zhì)量不合格需全部報廢處理。②由同一名操作人員對變形條煙進(jìn)行清理，長邊折疊器改進(jìn)前后各記錄5次清理時間，取平均值。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由表1 可見，采用離合式長邊折疊器后，長邊折疊器損壞次數(shù)由4次/月減少至0，因長邊折疊器擠壓條煙而導(dǎo)致的變形條煙數(shù)量由562 條/月減少至51條/月，降幅91%。由表2可見，采用離合式長邊折疊器前，清理變形條煙的平均時間為5.7 min/次；改進(jìn)后由于活動板能夠及時脫離固定座，條煙不會因變形而卡在通道內(nèi)，清理時間縮短至0.4 min/次，用時減少93%左右。因此，應(yīng)用離合式長邊折疊器可有效減少變形條煙數(shù)量，降低零部件損耗，提高設(shè)備生產(chǎn)效率。

表1 改進(jìn)前后長邊折疊器損壞次數(shù)和變形條煙數(shù)量①Tab.1 Breakdown frequency of long side panel folder and number of deformative cigarette cartons before and after modification

表2 改進(jìn)前后清理變形條煙時間Tab.2 Time needed to remove deformative cigarette cartons before and after modification （min·次-1）

4 結(jié)論

針對YB917型條外透明紙包裝機(jī)設(shè)計了一種離合式長邊折疊器，在透明紙長邊折疊過程中當(dāng)出現(xiàn)折疊通道堵塞現(xiàn)象時，活動板可以及時與固定座分離，同時觸發(fā)裝置中的連桿靠近接近開關(guān)觸發(fā)報警信號使包裝機(jī)停機(jī)，避免長邊折疊器損壞。以濟(jì)南卷煙廠生產(chǎn)的“泰山（紅將軍）”牌卷煙為對象進(jìn)行測試，結(jié)果表明：應(yīng)用離合式長邊折疊器后，未再發(fā)生長邊折疊器損壞現(xiàn)象，因長邊折疊器擠壓而導(dǎo)致的變形條煙數(shù)量減少91%，清理變形條煙的平均時間由5.7 min/次縮短至0.4 min/次。該技術(shù)可在ZB25軟盒包裝機(jī)組和ZB45硬盒包裝機(jī)組中推廣應(yīng)用。