YB917型条外透明纸包装机离合式长边折叠器的设计

张成鹏，赵 举，秦学军，张加义，张 杰，李 峰

山东中烟工业有限责任公司济南卷烟厂，济南市高新区科航路2006 号 250104

ZB47型硬盒硬条包装机组由YB47型硬盒包装机、YB517型盒外透明纸包装机、YB617型硬条包装机以及YB917 型条外透明纸包装机组成，是基于意大利G.D公司专有技术转化设计的国产高速包装设备［1-3］。其中，YB917 包装机主要完成条盒外部透明纸包装工作［4］。在透明纸折叠成型过程中，因存在条烟外形不方正、第一提升器内条烟提升不到位等问题，长边折叠器容易挤压条烟并造成折叠通道堵塞，严重时损坏长边折叠器，影响设备生产效率。近年来，针对各种型号条外透明纸包装机已有较多研究及改进。商保鹏［5］在YB917包装机的第一提升通道上方压板处设计了一种检测装置，解决了第一接应杆容易被挤压等问题；黄城宝等［6］基于YB95包装机设计了一种可分离式条烟推送装置，解决了因条烟输出通道堵塞而造成的条烟挤压问题，缩短了堵塞通道清理时间；王林鹏等［7］对YB917 包装机的条烟提升器进行改进，采用双气缸、大功率电机重新设计传动系统，降低了条烟提升输送装置的停机次数；李乾等［8］通过设计YB95 包装机出口与条烟提升器入口联动装置，缩短了因条烟入口堵塞而导致的设备停机时间。但关于YB917包装机长边折叠器易损坏并导致条烟变形等问题则鲜见研究报道。为此，设计了一种带有触发装置的离合式长边折叠器，当折叠通道堵塞时设备能够及时停机，以期避免长边折叠器受损，缩短变形条烟清理时间。

1 问题分析

1.1 工作原理

YB917包装机条外透明纸长边折叠机构由第一提升器、长边折叠器、推条器和折叠通道等组成，透明纸折叠过程见图1。当第一提升器（1）将条烟提升至与折叠通道底面（5）高度一致时，透明纸的后上折边、前上折边已折叠完成；当长边折叠器（2）向右移动完成透明纸后下折边的折叠后，推条器（3）与长边折叠器一起向右移动将条烟推送至折叠通道内，同时完成前下折边的折叠［9］。

图1 条外透明纸长边折叠过程示意图Fig.1 Schematic diagram of long side folding process of carton overwrap film

由图2可见，长边折叠器为胶木材质的长方形折叠板，依靠凸轮机构进行传动并通过螺钉固定在传动轴上。凸轮机构由凸轮（3）、滚子（4）、摆杆（5）、连杆（6）、导向套（7）以及传动轴（2）组成。其中，凸轮为端面槽凸轮，安装在摆杆一端的滚子嵌装在凸轮槽内，摆杆另一端通过连杆与传动轴相连；传动轴随摆杆做周期运动，并在导向套的导向作用下带动长边折叠器（1）做往复直线运动，实现透明纸后下折边的折叠。

图2 长边折叠器结构与传动原理图Fig.2 Structure and transmission schematic diagram of long side panel folder

1.2 存在问题

YB917 包装机在运行过程中，当条烟外形不方正或第一提升器内条烟提升不到位时，向右移动的长边折叠器会挤压条烟，导致条烟无法顺利进入折叠通道并堵塞在通道内难以取出；因长边折叠器的传动路线上未设置过载保护装置，发生条烟堵塞时只能依靠第一提升器的过载保护装置使设备停机，导致长边折叠器因停机滞后而长时间挤压条烟造成条烟变形。

2 离合式长边折叠器的设计

为解决设备停机不及时、清理变形条烟费时费力等问题，需要在长边折叠器上增加过载保护功能。因此，设计一种带触发装置的离合式长边折叠器。

2.1 系统结构

离合式长边折叠器由内外固定座（40Cr材质［10］）、活动板（铝镁合金材质［10］）、触发装置以及电感式接近开关［11］组成，见图3。内固定座（1）和外固定座（2）上通过螺钉（6）固定有钕铁硼强磁铁（5），活动板（3）上通过螺钉（9）固定有内铁块（7）和外铁块（8），内、外铁块在磁铁的作用下分别与内、外固定座吸合在一起，实现了活动板与固定座之间的磁性连接。活动板与固定座之间设置的V 型槽（4）具有定位和导向作用，为保证活动板脱离固定座时移动顺畅且不发生晃动，可以通过调整内、外固定座之间的距离，使固定座与活动板的下配合面相互接触，上配合面间隙为0.01 mm。活动板的端部设计有圆柱销（13），与固定座上未完全贯穿的圆柱销槽（14）相配合（图3b），当活动板受到条烟阻力而脱离原工作位置滑动至终点时，活动板能够及时停止运动且不会掉落。基于双摇杆机构设计的触发装置（10）安装在外固定座的侧面，依靠磁铁的吸力和弹片（11）的弹力触发装置动作；电感式接近开关（12）固定在包装机机架上，以检测触发装置的位置状态。

图3 离合式长边折叠器结构示意图Fig.3 Structure of clamp-type long side panel folder

2.2 触发装置工作原理

如图4所示，触发装置由支架（1）、摇杆（2，5）、连杆（3）、弹片（4）组成。其中，通过螺钉固定在支架上的弹片选用60Si2Mn材质［12］，具有良好的弹性变形能力。当离合式长边折叠器正常工作时，触发装置处于压缩状态（图4a），外铁块（6）与外固定座（7）吸合在一起并推动连杆克服弹片弹力向右上方移动，使连杆远离电感式接近开关（9）且双摇杆保持向右倾斜状态；当活动板（8）受到条烟阻力并带动外铁块克服磁铁吸力脱离原工作位置向左滑出时，触发装置由压缩状态转换至伸展状态（图4b），连杆因不受外铁块作用力而在弹片弹力作用下向左下方移动靠近电感式接近开关，同时双摇杆改变为竖直状态。电感式接近开关型号为BALLUFF BES 516-131-S4-C（德国巴鲁夫公司），将其检测信号与第一提升器检测（3S512）信号串联，当接近开关检测到连杆靠近时设备停机，同时IPC 人机对话显示器上出现红色报警信息“CV 第一提升器堵塞”。操作人员可根据提示查看第一提升器部位状况，若是离合式长边折叠器堵塞，活动板已向左滑出，取出条烟后，将活动板复位并重新启动设备即可。支架、摇杆和连杆之间采用圆柱销钉铰接，形成双摇杆机构，而双摇杆机构动作时要求圆柱销钉与圆孔的摩擦力较小。因此，采用带槽圆柱销钉并加注润滑脂进行铰接，以保证双摇杆机构动作迅速，防止卡死。

2.3 触发装置参数设计

如图5 所示，A、B、C、D 点分别代表双摇杆两端的圆柱销钉，E、F 点为连杆上两个固定点，E、F 两点间的距离与A、B 两点间的距离相等且固定长度为90 mm，当触发装置处于压缩状态和伸展状态时，连杆EF与AB之间的垂直距离分别为：

图5 触发装置位移变化示意图Fig.5 Schematic diagram of displacement of trigger device

式中：h为压缩状态下EF与AB之间的垂直距离，mm；H为伸展状态下EF与AB之间的垂直距离，mm；α为摇杆与水平方向的夹角，（°）；AC、CE 分别为A、C 两点和C、E两点间的距离，mm。

当离合式长边折叠器因活动板与固定座产生位移导致触发装置从压缩状态转换至伸展状态时，连杆垂直位移变化量X（mm）为：

根据离合式长边折叠器的实际尺寸，将摇杆长度设计为9 mm，即AC=BD=9 mm。当触发装置处于压缩状态时，连杆应尽可能地远离接近开关，避免因误测而造成设备停机；当触发装置处于伸展状态时，连杆应尽可能地靠近接近开关，以准确触发报警信号使设备及时停机。由公式（2）可知，α越小，连杆的垂直位移变化量X 越大，能够更好地满足连杆在压缩状态下远离接近开关而伸展状态下靠近接近开关的运行要求。综合考虑弹片使用寿命等因素，最终确定α=45°，连杆的垂直位移变化量X=2.64 mm。电感式接近开关的有效检测距离为4 mm［13］，故将压缩状态下接近开关与连杆的垂直距离设置为5 mm，伸展状态下接近开关与连杆的垂直距离为2.36 mm，能够满足检测要求。

2.4 钕铁硼强磁铁选型

摇杆AC、BD均为二力杆［14］，为方便计算，假定圆柱销钉与摇杆之间的接触绝对光滑，即构成光滑圆柱铰链约束。如图6所示，对压缩状态下的连杆和摇杆进行受力分析［15］，可得：

图6 触发装置受力分析图Fig.6 Force analysis of trigger device

式中：FAX和FAY分别为铰链A约束反力的水平方向分力和竖直方向分力，N；FBX和FBY分别为铰链B约束反力的水平方向分力和竖直方向分力，N；F1为连杆受到外铁块的推力，N；F2为弹片施加给连杆的作用力，N；FA和FB分别为铰链A和铰链B的约束反力，N。

由于α=45°，根据公式（3）计算可得：

在压缩状态下测量触发装置弹片弹力F2≈10 N，由公式（4）可知连杆所受推力F1≈10 N。如图7所示，对正常工作时和条烟阻塞时的活动板进行受力分析，可得：

图7 正常工作和条烟阻塞时活动板受力分析Fig.7 Force analysis of movable plate during normal operation and cigarette carton jamming

式中：F3为正常工作时磁铁对铁块的吸力，N；F3′为条烟阻塞时磁铁对铁块的吸力，N；F4为连杆对铁块的反作用力，N；F5为正常工作时折叠透明纸折边时对活动板的阻力，N；F6为条烟阻塞时长边折叠器受到的最大阻力（确保长边折叠器不变形），N；Q 为设计要求磁铁对铁块的吸力，N。

经测量，F5=5.24 N，F6=18.12 N，已知F4=F1≈10 N，可得7.62 N＜Q＜14.06 N。对不同规格的磁铁进行吸力测试并结合磁铁安装位置要求，确定磁铁的长、宽、高分别为20、8、3 mm。

3 应用效果

3.1 实验设计

材料：“泰山（红将军）”牌卷烟（山东中烟工业有限责任公司济南卷烟厂提供）。

设备：6台ZB47型硬盒硬条包装机组（上海烟草机械有限责任公司）。

方法：①长边折叠器改进前后，分别统计6 台YB917包装机长边折叠器的损坏次数及变形条烟数量，统计时间为3个月，取平均值。其中，长边折叠器发生变形、断裂、螺纹丝管滑脱或螺孔崩裂等现象均视为损坏，变形条烟因产品质量不合格需全部报废处理。②由同一名操作人员对变形条烟进行清理，长边折叠器改进前后各记录5次清理时间，取平均值。

3.2 数据分析

由表1 可见，采用离合式长边折叠器后，长边折叠器损坏次数由4次/月减少至0，因长边折叠器挤压条烟而导致的变形条烟数量由562 条/月减少至51条/月，降幅91%。由表2可见，采用离合式长边折叠器前，清理变形条烟的平均时间为5.7 min/次；改进后由于活动板能够及时脱离固定座，条烟不会因变形而卡在通道内，清理时间缩短至0.4 min/次，用时减少93%左右。因此，应用离合式长边折叠器可有效减少变形条烟数量，降低零部件损耗，提高设备生产效率。

表1 改进前后长边折叠器损坏次数和变形条烟数量①Tab.1 Breakdown frequency of long side panel folder and number of deformative cigarette cartons before and after modification

表2 改进前后清理变形条烟时间Tab.2 Time needed to remove deformative cigarette cartons before and after modification （min·次-1）

4 结论

针对YB917型条外透明纸包装机设计了一种离合式长边折叠器，在透明纸长边折叠过程中当出现折叠通道堵塞现象时，活动板可以及时与固定座分离，同时触发装置中的连杆靠近接近开关触发报警信号使包装机停机，避免长边折叠器损坏。以济南卷烟厂生产的“泰山（红将军）”牌卷烟为对象进行测试，结果表明：应用离合式长边折叠器后，未再发生长边折叠器损坏现象，因长边折叠器挤压而导致的变形条烟数量减少91%，清理变形条烟的平均时间由5.7 min/次缩短至0.4 min/次。该技术可在ZB25软盒包装机组和ZB45硬盒包装机组中推广应用。