基于提升GDXⅡ包装机玻璃纸外观质量的改进设计

杨潇

（云南烟草机械有限责任公司，昆明 650106）

0 引言

GDXⅡ包装机的包装过程中，玻璃纸包装是整个包装工艺流程中的重要环节。在玻璃纸包装过程中多次出现玻璃纸翻边的问题，严重影响其外观质量。据统计，每生产1000包烟就有3包烟存在外观质量问题。翻边问题模拟图如图1所示。

图1 玻璃纸翻边问题模拟

1 要因分析

针对玻璃纸翻边这一外观质量问题，关键是找出造成玻璃纸翻边的末端原因。玻璃纸在包装过程中有翻边现象，主要有两条原因造成：一是搭口中心不在理想位置，烙铁熨烫不均匀，从而造成玻璃纸翻边；二是搭口处超出烙铁的熨烫范围，搭口处没有得到有效完全的熨烫，同样也会造成玻璃纸翻边。

图2 烟包搭口尺寸模拟图

通过现场调查确认,烟包搭口的位置及烙铁的位置，均在允许范围内，不存在调整不当的问题。而烟包搭口尺寸为14 mm，而其烙铁的宽度为12 mm，说明有2 mm宽度的玻璃纸得不到烙铁的有效熨烫，翻边现象在所难免，如图2所示。因此，导致搭口尺寸过长，超出烙铁的熨烫范围，搭口处没有得到完全有效的熨烫是造成玻璃纸翻边的根本原因。

2 对策制定

从原理出发，降低送纸辊的角速度或者减短送纸辊的半径都可以降低其线速度，从而实现减短玻璃纸的目的，如图3所示。

图3 送纸辊工作原理图

若要降低其角速度，可以通过减小其齿轮2和齿轮1的传动比来实现；若要减小送纸辊直径，虽然可以改变其线速度，从而减短玻璃纸的长度，但同时带来的问题是，要保证对辊间的间隙不变，必然要增大压纸辊的直径，又受到安装空间的限制，难以配凑出满意的中心距。因此降低其角速度，从而有效地降低送纸辊的线速度，实现减短玻璃纸长度的目的，而且两齿轮安装空间较大，更容易配凑中心距，实施难度小。

通过齿轮传动原理，我们得出以下关系式：

式中：L为送纸辊单圈旋转后玻璃纸输送的长度；i为齿轮传动比；d为送纸辊直径。

另外，将搭口尺寸减得过多，底层玻璃纸会在烙铁的熨烫下收缩，加深皱褶，同样影响外观质量；减得太少，又增加安装调试的难度。经过权衡最终认定，将搭口尺寸控制在11 mm左右，则搭口边缘与烙铁边缘预留了0.5 mm的间隙，用来弥补包装带来的偏差。

3 对策实施

3.1 准备工作

已知参数如表1（以下计算均采用四舍五入法精确到0.001）所示。

根据式（1）和表1，我们得知现在设计的齿轮的传动比

表1 已知参数表

根据式（2），则有

式中：ZΣ为总齿数；Z1为齿轮1的齿数；Z2为齿轮2的齿数。

已知变位中心距

将式（3）代入式（4）变形可得

式中：a′为变位后的中心距；m为模数；α为压力角；α′为啮合角。

由式（5）我们可以配凑齿数。

3.2 配凑齿数

表2 配凑齿数表

将假设模数代入式（5）中，可得到不变位时的总齿数，再分别加减一齿，进行齿轮的配凑过程，如表2所示。

通过整个配凑过程，可以看出，当模数m=2时，ZΣ=49，Z1=21，Z2=28，玻璃纸长度为167.5 mm，搭口长度为11 mm。此结果完全符合我们的设计要求。

3.3 选择变位系数

对于一般的齿轮传动，选择变位系数的限制条件主要有以下五条：a.满足无侧隙啮合；b.保证齿轮加工时不根切；c.保证有必要的重合度；d.保证齿轮啮合时不干涉；e.保证有一定的齿顶厚Sa。

1）保证无侧隙啮合。一对变位齿轮传动，要保证无侧隙啮合，其啮合角α′和总变位系数必须满足：

式中：ХΣ为总变位系数；ZΣ为总齿数；α为压力角；α′为啮合角。

现已知：ZΣ=49，m=2，α=20°，inv20°=0.014 904（查表可得）。通过式（5）可知α′=22.95°，inv22.95°=0.022 892（查表可得）。将其代入式（6）可得:invα）=0.545。

2）保证加工时不根切。不产生根切的最少齿数计算公式为

不产生根切的最小变位系数计算公式为

至此，根据以上的限制条件，考虑到加工的方便及加工成本，我们初步将齿轮1、2的变位系数定为：Х1=0.545，Х2=0；以下将对所选定的变位系数做进一步的验证。

3）保证必要的重合度ξa。

为保证齿轮传动的平稳性，要求重合度ξa≥1.2。外啮合齿轮的传动重合度计算公式为：

式中：αa1、αa2为齿轮1、2的齿顶压力角，

y为中心距变动系数；Х1、Х2为齿轮1、2的变位系数。

已知齿数、齿形参数及变位系数，可计算出αa1=34.7°、αa2=30.56°，将其代入到式（9），得出重合度ξa=1.446＞1.2，其结果满足要求。

4）保证齿轮啮合时不干涉。

小齿轮Z1齿根不产生干涉的条件是：

将已知参数代入到式（10），计算得：0.267＞0.229。

大齿轮Z2齿根不产生干涉的条件是：

式中：αa1、αa2为齿轮1、2的齿顶压力角；α为压力角；α′为啮合角；为齿顶高系数；Х1、Х2为齿轮1、2的变位系数。将已知参数代入到式（11），计算得出：0.222＞0.142。通过以上论证我们得出结论：大、小齿轮均不会产生干涉。

5）保证有必要的齿厚Sa。

为了保证齿轮的齿顶强度，齿顶厚Sa不能太薄，对于软齿面的齿轮，要求Sa≥0.25m。

齿厚计算公式：

式中：αa为齿轮的齿顶压力角；Х为变位系数；da为齿顶圆直径；α为压力角。

通过式（12）我们可以计算出以下结果：

结论：大小齿轮的齿厚均符合要求。

按表3所示齿轮相关设计参数加工制造。

4 效益分析

首先，该改进设计提升了玻璃纸的外观质量，减少了次品率，降低了故障停机的次数，减少了产能的损耗。其次，玻璃纸长从原先的170.5 mm减短至167.5 mm，平均每包节约3 mm的玻璃纸，按照GDXⅡ包装机的生产速度为400包/min计算，每分钟即可节约1200 mm的玻璃纸，这1200 mm的玻璃纸又可以包装7包烟，大大节约了辅料，产生的经济效益也非常可观。

表3 齿轮1、2加工参数表