PASSIM8K卷接机组劈刀保险装置改进

霍学民

（河南中烟公司许昌卷烟厂，河南许昌 461000）

0 引言

PASSIM8K卷接机组是卷烟设备主要机型之一，在日常使用和维修过程中，卷烟机的劈刀传动机构出现问题次数较多：一是保险销钉磨损很快，磨损后会造成劈刀传动旷量大，烟支端部空松、紧头不好，重量标偏达不到要求，机组人员必须得经常更换保险销；二是在劈刀机构出现过载的情况下，时常出现保险销不能被及时切断的现象，造成劈刀机构或弹性联轴器损坏。

1 劈刀机构工作原理

重量控制系统是卷烟机重要组成部分之一，按其工作原理可分为检测、控制和平准器（俗称劈刀机构）两部分。卷烟机的劈刀机构是一个独立的组件，由支撑管、传动齿轮、传动轴、劈刀盘和刷丝轮等组成。工作时，利用两只旋转方向相反的劈刀盘对运行中的烟丝束进行削剪，并由刷丝轮将削下的烟丝刷掉。经过劈刀机构的上升或下降，削减掉吸丝带上多余的烟丝，从而控制烟丝条的重量。劈刀盘上有均匀分布的凹槽，设备运行中要求劈刀盘上的凹槽必须与烟条切割刀片保持同步，使刀片切割在劈刀盘凹槽所作用烟条部位的中间，保证生产出来的烟条在单长烟支的两端切口处均有紧头部分，以减少空松烟支的产生。

2 劈刀机构的传动分析

2.1 劈刀机构的驱动装置

劈刀机构传动系统的动力源来自卷烟机主电机。经过一系列的齿轮和同步带的传递，将动力传至吸风室齿轮箱，再由吸风室齿轮箱背后输出轴上面的带轮，通过齿形带带动劈刀机构的驱动带轮，驱动带轮通过传动轴最终将动力传递至平准器齿轮箱，从而带动劈刀盘和刷丝轮工作。

2.2 弹性联轴器的结构

在驱动带轮至平准器齿轮箱的传动过程中，生产厂家采用了一个螺旋槽型弹性联轴器。该联轴器外径25.4 mm、长39 mm、前端内径8 mm，通过平键与轴相连，后端外表面有一个销钉槽，用来连接保险销，后端内孔中有一个内径6 mm的铜套，与轴相连。在弹性联轴器的外圆有一条连续多圈的长切槽，使联轴器具有优良的弹性，可以承受多种偏差，特别适合用于纠正偏角和轴向偏差。

2.3 剪切式保险销

2.3.1 剪切式保险销的作用

在实际生产中，被劈刀盘削减下的吸丝带上多余的烟丝，有时会在螺旋回丝装置中累积，形成堵塞，导致劈刀机构转动受阻。为了保护劈刀机构和弹性联轴器不被损坏，在驱动带轮轴至弹性联轴器之间，采用了剪切式保险销结构。保险销通过连接盘插在弹性联轴器的销钉槽中，连接盘的后端通过平键与驱动带轮轴相连接，并用螺钉紧固；前端通过保险销与弹性联轴器连在一起，将动力通过联轴器传给劈刀机构。当劈刀机构的转动出现过载时，保险销须被及时切断，断开驱动带轮与劈刀机构之间的动力连接，使弹性联轴器和劈刀机构停止转动，避免受到损坏。

2.3.2 剪切式保险销的结构缺陷

（1）保险装置采用的剪切式保险销结构，在销钉端部与剪切槽之间存在一定的间隙。随着设备的运行，保险销与剪切槽之间的接触面会产生微动磨损以及表面疲劳磨损。由于受加工材料的影响，销钉端部的接触面磨损很快，使保险销与剪切槽间的间隙随着使用时间而逐渐增大。实践表明，当保险销与剪切槽的间隙＞0.5 mm时，经传动链放大后，劈刀机构在转动中就会产生较大旷量，造成劈刀圆盘在削减吸丝带上的烟丝时，圆盘上的凹槽无法准确定位，烟支的紧头位置无法得到保证，表现为烟支端部空松现象增加、重量标偏不稳定等。为了减少这些质量缺陷，操作人员平均每两天就要更换一个保险销（图1），增加了停机工时及劳动强度。

（2）剪切式保险销结构存在缺陷。在实际生产中，时常出现保险销在设备运行过程中突然断裂，或者是当劈刀机构转动受阻、负载过大时，保险销却不能被及时切断，而是继续带动弹性联轴器及劈刀机构转动，造成联轴器或劈刀机构损坏。劈刀机构与弹性联轴器的价格昂贵（劈刀组件每套价格18 000余元，弹性联轴器每个3300余元），并且劈刀机构的更换过程比较麻烦，这样不仅增加了设备维修费用，也影响了设备效能的发挥。

图1 磨损后的保险销

3 劈刀保险装置的改进

3.1 保险销磨损过快及过载保护失效原因分析

剪切式保险销不可避免地存在销钉槽与销钉之间的接触磨损，销钉的硬度要小于销钉槽的硬度，这种刚性接触是造成销钉磨损过快的主要因素。另一方面销钉材料质量低劣，是造成过载保护失效的直接原因。

3.2 滚珠式过载保护装置的设计思路

根据滚珠安全离合器工作原理，主动轮传递过来的转矩通过滚珠、从动盘、外套筒传给从动轴，当转矩超过许用值时，弹簧被过大的轴向分力压缩，滚珠随弹簧向后移动，滑出滚槽，主动轮空转，从动盘及从动轴停转。当载荷恢复正常时，即可重新传递转矩。设想将剪切式保险销改成滚珠式过载保护装置。使用弹簧与滚珠的配合来代替剪切式保险销，利用弹性压力带动劈刀机构工作，这样就可从根本上解决经常更换保险销的问题。通过调整弹簧对滚珠的压力，可调节保护装置所承受的载荷，达到切实保护劈刀机构和弹性联轴器的目的。

3.3 滚珠式过载保护装置设计方案

3.3.1 更换弹性联轴器

原来的弹性联轴器（图2）通过保险销与连接盘相连，再通过连接盘与劈刀机构的驱动带轮轴连在一起，接收主传动传递过来的动力。改进后的滚珠式过载保护装置安装在传动带轮处，将原来的连接盘及保险销拆除不用，弹性联轴器外表面的销钉槽也不再需要。由于传动带轮轴和劈刀箱体传动轴之间的距离没有变化，所以联轴器的长度不用改变。根据需要，重新选择另一规格弹性联轴器（图3），其前后端内孔直径相同，并且后端内孔和前端同样加工有一个2 mm的键槽，用这种弹性联轴器可以通过平键直接把驱动带轮轴和劈刀箱体传动轴连在一起。

图2 改进前的弹性联轴器

图3 改进后的弹性联轴器

3.3.2 改进传动轴

原劈刀机构的驱动带轮轴前端直径为6 mm，因重新选择了弹性联轴器，故将传动轴的前端加工成8 mm并带键槽与联轴器配合连接。改进前的传动轴后端仅安装一个带轮，改进后需加装滚珠过载保护装置，为此将传动轴的后端加长。

3.3.3 加装连接盘

把劈刀机构驱动带轮的后挡边拆下，加工一个连接盘来代替挡边。在改进后的滚珠式过载保护装置结构中，连接盘是增加的主要零件之一。在连接盘的中心线上加工一条90°V形槽，作为滚珠的定位槽，槽口宽10 mm，便于滚珠的定位和滑出。连接盘通过3个M4 mm螺钉固定在传动带轮上，随同带轮一起旋转。

3.3.4 设计连接体

连接体是带动传动轴旋转，承装滚珠、弹簧和压紧螺钉的部件（图4）。在连接体中心线上有2个对称布置的销孔，用来承装滚珠、弹簧和压紧螺钉。销孔深度32 mm，上半部攻有螺纹，用来调节弹簧压紧螺钉的旋入深度，以调整弹簧对滚珠的压力，使滚珠与连接盘的V形槽可以顺利地啮合与脱开。连接体通过内孔键槽，与驱动带轮的传动轴相连，将动力通过传动轴传递给弹性联轴器，带动劈刀机构正常转动。

3.4 过载保护装置的组装实施

改进后的滚珠式过载保护装置（图5）组装顺序：首先用3个M4 mm螺钉将连接盘锁紧在带轮上，并将带轮组件装到传动轴上面；然后再使用螺栓将连接体紧固安装在传动轴上，并保证连接体与连接盘之间的间隙在0.5～0.7 mm，二者单独转动时不产生干涉；最后将滚珠、弹簧和压紧螺钉逐一装入连接体的销孔中，对弹簧的压力进行正确调节。

图4 连接体

图5 安装后的过载保护装置

3.5 确定过载保护装置中弹簧对滚珠的压力

3.5.1 计算原始设计保险销的限定载荷

改进前保险销的材料是ZL104，根据保险销的尺寸，可以计算出原保险销最初设计所能承受的最大负载。ZL104的抗剪强度为80 MPa，保险销被剪切面的半径为1.2 mm。根据F=Sτ，其中，F为剪切力，S是被剪切面的面积，τ抗剪强度，可得出原始保险销设计能够承受的剪切力F=361.7 N。由于保险销随联轴器做圆周运动，因此可根据联轴器的直径（25.4 mm），计算出原保险销设计所能承受的转矩M=4.6 N·m。以前的保险销出现过过载保护失效的现象，为确保改进后的过载保护装置在使用中安全可靠，并参照PASSIM劈刀机构的驱动电机参数（4.1 N·m），最后确定把滚珠式过载保护装置的限定载荷设定为4 N·m。

3.5.2 滚珠在V形槽中的受力分析

当设备正常运行时，滚珠被弹簧压紧在V形槽中，使连接体随连接盘一起转动，滚珠在V形槽中的受力分析如图6所示。V形槽为90°角，根据力的分解与合成，可将F2分解为2个分力，即滚珠所受径向力F1和滚珠所受轴向力F3，而弹簧对滚珠的压力F3ˊ的大小应与F3的大小相等。由于滚珠随V形槽做的是圆周运动，因此F1即为滚珠所做圆周的切线方向力，F1=T/RZ，F3=F3ˊ=F1cosα，其中，T为驱动带轮轴所传递的转矩，R是滚珠所做圆周运动的半径，Z为圆周上的滚珠数量。

3.5.3 计算滚珠所需弹簧施加压力的大小

上文已确定过载保护装置的限定载荷为4 N·m，已知滚珠数量为2个，所做圆周运动的直径64 mm，据此可计算出F1=62.5 N。V形槽呈90°，故F3=F3ˊ=F1×cosα=62.5 N，即弹簧对滚珠的压力应设定为62.5 N。

3.5.4 确定弹簧合适的压缩量

采用的弹簧规格为外径10 mm，线径1.6 mm，长23 mm，总圈数7圈，钢丝材料为琴钢丝。计算出弹簧常数K=Gd4/8Dm3×Nc=21.67 N/mm。已知需要弹簧施加的压力F为62.5 N，可根据X=F/K，计算出弹簧的压缩量X=2.88 mm。压紧螺钉的螺距是1.25 mm，压紧螺钉的旋入深度应为2.3圈，即从压紧螺钉开始对弹簧施压算起，应将螺钉再向下旋入2.3圈。为确保压紧螺钉对弹簧能够施以正确的压力，特用力矩扳手对过载保护装置进行多次试验，以确保使用效果。

图6 滚珠在V形槽中的受力分析

3.6 滚珠式过载保护装置的工作原理

设备正常运行时，连接盘与驱动带轮一体旋转，连接体上的滚珠在弹簧的作用下，压嵌在连接盘的V形槽内，与V形槽紧密连接。连接体随同连接盘和驱动带轮一起转动，并通过平键直接将动力传递给传动轴，传动轴又通过弹性联轴器带动劈刀机构正常转动。当劈刀机构转动受阻、发生过载时，滚珠就会克服弹簧的压力，滑出V形槽，连接体与连接盘脱离，和带轮传递过来的主传动完全脱开，连接体与传动轴一起停止转动，使劈刀机构停止工作。在消除过载之后，滚珠重新被弹簧压紧在V形槽内，对劈刀机构的传动又恢复正常。

4 改进效果

（1）显著改善了劈刀的工艺功能。改进后彻底消除了因保险销磨损而造成劈刀机构传动间隙过大的现象，提高了劈刀盘凹槽形成烟支正确紧头位置的稳定性，烟支端部空松、重量标偏不稳定等现象得到明显改善。

（2）彻底解决了操作工需经常更换保险销的问题，减少了劳动强度与无谓的停机时间。

（3）设备维修费用降低，有效作业率提高。通过调整弹簧对滚珠的压力，可适时改变过载保护装置的限定载荷，切实保护劈刀机构和弹性联轴器不受损害。从2012年9月安装之后，至今没有出现过劈刀机构损坏事故。

5 结语

滚珠式过载保护装置可确保传递的载荷不超过限定值，当出现过载现象时，可迅速断开传动，反应及时、安全可靠。由于限定载荷的大小可以调整，工作精度较高，应用灵活方便。

［1］温邦椿.机械设计手册［M］.北京:机械工业出版社，2010.

［2］朱孝录.机械传动设计手册［M］.北京:电子工业出版社，2007.