YB917型條外透明紙包裝機離合式長邊折疊器的設計

張成鵬，趙 舉，秦學軍，張加義，張 杰，李 峰

山東中煙工業有限責任公司濟南卷煙廠，濟南市高新區科航路2006 號 250104

ZB47型硬盒硬條包裝機組由YB47型硬盒包裝機、YB517型盒外透明紙包裝機、YB617型硬條包裝機以及YB917 型條外透明紙包裝機組成，是基于意大利G.D公司專有技術轉化設計的國產高速包裝設備［1-3］。其中，YB917 包裝機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，嚴重時損壞長邊折疊器，影響設備生產效率。近年來，針對各種型號條外透明紙包裝機已有較多研究及改進。商保鵬［5］在YB917包裝機的第一提升通道上方壓板處設計了一種檢測裝置，解決了第一接應桿容易被擠壓等問題；黃城寶等［6］基于YB95包裝機設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 包裝機的條煙提升器進行改進，采用雙氣缸、大功率電機重新設計傳動系統，降低了條煙提升輸送裝置的停機次數；李乾等［8］通過設計YB95 包裝機出口與條煙提升器入口聯動裝置，縮短了因條煙入口堵塞而導致的設備停機時間。但關于YB917包裝機長邊折疊器易損壞并導致條煙變形等問題則鮮見研究報道。為此，設計了一種帶有觸發裝置的離合式長邊折疊器，當折疊通道堵塞時設備能夠及時停機，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包裝機條外透明紙長邊折疊機構由第一提升器、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。當第一提升器（1）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，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的長方形折疊板，依靠凸輪機構進行傳動并通過螺釘固定在傳動軸上。凸輪機構由凸輪（3）、滾子（4）、擺桿（5）、連桿（6）、導向套（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，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動，并在導向套的導向作用下帶動長邊折疊器（1）做往復直線運動，實現透明紙后下折邊的折疊。

圖2 長邊折疊器結構與傳動原理圖Fig.2 Structure and transmission schematic diagram of long side panel folder

1.2 存在問題

YB917 包裝機在運行過程中，當條煙外形不方正或第一提升器內條煙提升不到位時，向右移動的長邊折疊器會擠壓條煙，導致條煙無法順利進入折疊通道并堵塞在通道內難以取出；因長邊折疊器的傳動路線上未設置過載保護裝置，發生條煙堵塞時只能依靠第一提升器的過載保護裝置使設備停機，導致長邊折疊器因停機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計

為解決設備停機不及時、清理變形條煙費時費力等問題，需要在長邊折疊器上增加過載保護功能。因此，設計一種帶觸發裝置的離合式長邊折疊器。

2.1 系統結構

離合式長邊折疊器由內外固定座（40Cr材質［10］）、活動板（鋁鎂合金材質［10］）、觸發裝置以及電感式接近開關［11］組成，見圖3。內固定座（1）和外固定座（2）上通過螺釘（6）固定有釹鐵硼強磁鐵（5），活動板（3）上通過螺釘（9）固定有內鐵塊（7）和外鐵塊（8），內、外鐵塊在磁鐵的作用下分別與內、外固定座吸合在一起，實現了活動板與固定座之間的磁性連接?；顒影迮c固定座之間設置的V 型槽（4）具有定位和導向作用，為保證活動板脫離固定座時移動順暢且不發生晃動，可以通過調整內、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），當活動板受到條煙阻力而脫離原工作位置滑動至終點時，活動板能夠及時停止運動且不會掉落?；陔p搖桿機構設計的觸發裝置（10）安裝在外固定座的側面，依靠磁鐵的吸力和彈片（11）的彈力觸發裝置動作；電感式接近開關（12）固定在包裝機機架上，以檢測觸發裝置的位置狀態。

圖3 離合式長邊折疊器結構示意圖Fig.3 Structure of clamp-type long side panel folder

2.2 觸發裝置工作原理

如圖4所示，觸發裝置由支架（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［12］，具有良好的彈性變形能力。當離合式長邊折疊器正常工作時，觸發裝置處于壓縮狀態（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，使連桿遠離電感式接近開關（9）且雙搖桿保持向右傾斜狀態；當活動板（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，觸發裝置由壓縮狀態轉換至伸展狀態（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，同時雙搖桿改變為豎直狀態。電感式接近開關型號為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，當接近開關檢測到連桿靠近時設備停機，同時IPC 人機對話顯示器上出現紅色報警信息“CV 第一提升器堵塞”。操作人員可根據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，將活動板復位并重新啟動設備即可。支架、搖桿和連桿之間采用圓柱銷釘鉸接，形成雙搖桿機構，而雙搖桿機構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行鉸接，以保證雙搖桿機構動作迅速，防止卡死。

2.3 觸發裝置參數設計

如圖5 所示，A、B、C、D 點分別代表雙搖桿兩端的圓柱銷釘，E、F 點為連桿上兩個固定點，E、F 兩點間的距離與A、B 兩點間的距離相等且固定長度為90 mm，當觸發裝置處于壓縮狀態和伸展狀態時，連桿EF與AB之間的垂直距離分別為：

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

式中：h為壓縮狀態下EF與AB之間的垂直距離，mm；H為伸展狀態下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 兩點和C、E兩點間的距離，mm。

當離合式長邊折疊器因活動板與固定座產生位移導致觸發裝置從壓縮狀態轉換至伸展狀態時，連桿垂直位移變化量X（mm）為：

根據離合式長邊折疊器的實際尺寸，將搖桿長度設計為9 mm，即AC=BD=9 mm。當觸發裝置處于壓縮狀態時，連桿應盡可能地遠離接近開關，避免因誤測而造成設備停機；當觸發裝置處于伸展狀態時，連桿應盡可能地靠近接近開關，以準確觸發報警信號使設備及時停機。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下遠離接近開關而伸展狀態下靠近接近開關的運行要求。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。電感式接近開關的有效檢測距離為4 mm［13］，故將壓縮狀態下接近開關與連桿的垂直距離設置為5 mm，伸展狀態下接近開關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，即構成光滑圓柱鉸鏈約束。如圖6所示，對壓縮狀態下的連桿和搖桿進行受力分析［15］，可得：

圖6 觸發裝置受力分析圖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°，根據公式（3）計算可得：

在壓縮狀態下測量觸發裝置彈片彈力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 為設計要求磁鐵對鐵塊的吸力，N。

經測量，F5=5.24 N，F6=18.12 N，已知F4=F1≈10 N，可得7.62 N＜Q＜14.06 N。對不同規格的磁鐵進行吸力測試并結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 應用效果

3.1 實驗設計

材料：“泰山（紅將軍）”牌卷煙（山東中煙工業有限責任公司濟南卷煙廠提供）。

設備：6臺ZB47型硬盒硬條包裝機組（上海煙草機械有限責任公司）。

方法：①長邊折疊器改進前后，分別統計6 臺YB917包裝機長邊折疊器的損壞次數及變形條煙數量，統計時間為3個月，取平均值。其中，長邊折疊器發生變形、斷裂、螺紋絲管滑脫或螺孔崩裂等現象均視為損壞，變形條煙因產品質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行清理，長邊折疊器改進前后各記錄5次清理時間，取平均值。

3.2 數據分析

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由4次/月減少至0，因長邊折疊器擠壓條煙而導致的變形條煙數量由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，清理時間縮短至0.4 min/次，用時減少93%左右。因此，應用離合式長邊折疊器可有效減少變形條煙數量，降低零部件損耗，提高設備生產效率。

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

表2 改進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 結論

針對YB917型條外透明紙包裝機設計了一種離合式長邊折疊器，在透明紙長邊折疊過程中當出現折疊通道堵塞現象時，活動板可以及時與固定座分離，同時觸發裝置中的連桿靠近接近開關觸發報警信號使包裝機停機，避免長邊折疊器損壞。以濟南卷煙廠生產的“泰山（紅將軍）”牌卷煙為對象進行測試，結果表明：應用離合式長邊折疊器后，未再發生長邊折疊器損壞現象，因長邊折疊器擠壓而導致的變形條煙數量減少91%，清理變形條煙的平均時間由5.7 min/次縮短至0.4 min/次。該技術可在ZB25軟盒包裝機組和ZB45硬盒包裝機組中推廣應用。