GDX2硬盒包装机组CH与CV联接传动轴的优化设计

王广胜 王文辉 曹兴强 王中青 杨光露

(河南中烟工业有限责任公司南阳卷烟厂，河南 南阳 473007)

GDX2硬盒包装机组是烟草行业的主力机型，具有工作平稳、故障率低、调试方便、有效作业率高等特点，其辅机CH盒外透明包装机、CT条盒包装机和CV条外透明包装机采用同一电机驱动，具有良好的机械同步性能[1]。但由于CV机输入轴与CH机输出轴轴线不同心，且CV机与CH机距离较远，所以CV机需要通过万向联轴节组件从CH机获取动力，万向联轴节与轴颈采用锥销联接(图1)[2]。在工作过程中，由于动力传递的扭矩较大，所以万向联轴节组件经常损坏，而CV机万向联轴节组件所处的位置在机器里侧，空间狭小，维保困难，可操作性差，传动轴结构上一体化的特点决定了维修必须拆除很多相关零部件，需要多人分工协作才能进行更换，同时在拆除和装配的过程中也容易致使其它零件损坏，影响生产效率。目前意大利GD公司未对万向联轴器进行改进，本设计通过对万向联轴器组件的机械原理分析和运动学仿真试验分析，对其机构进行改进，以期解决上述问题。

1 问题分析

1.1 系统构成

CV条外透明包装机是由CH盒外透明包装机提供动力，由于两机之间距离较大，结构上采用由十字万向联轴器组成的传动轴传递动力。传动轴由CH输出轴、一对十字万向联轴器、套筒、轴、键、CV输入轴组成，零件之间采用锥销和键连接[3]。传动轴向CV机传递动力，如图1所示[4]。

1.2 原因分析

从CH盒外透明包装机与CV条外透明包装机联接结构示意图(图1)可以看出，传动轴在CH盒外透明包装机和CV条外透明包装机之间，它所承受的负荷较重且有周期性通过以上分析，产生故障和维修困难的主要原因有：① 磨损造成的损坏。由于万向联轴节使用中产生的扭矩较大，且随着两轴的瞬时传动比在不断变化，伴随有振动、冲击等附加载荷，再加上润滑条件不够理想，连续运转使万向联轴器相对运动元件之间磨损加剧。② 断裂造成的损坏，超过联轴接元件的疲劳极限造成元件断裂而损坏；③ 传动轴结构上一体化的特点决定了维修方式。在更换万向联轴器的过程中，必须拆下CH盒外透明包装机输出端、CV条外透明包装机输入端上一系列的零件，需要多人分工协作来完成，而且十字万向联轴器处于机器里侧，操作维修空间小，在维修中拆除和配作销孔的工作耗时长，在拆除和装配的过程中，容易致使其它零件损坏。短时间内难以修复，每次更换需要3人协作，180 min左右方可更换完毕，影响了生产设备的有效作业率。

1. CH输出轴 2. 锥销 3、9. 十字万向联轴器 4. 锥销 5. 套筒 6. 长键 7. 螺钉 8. 轴 10. CV输入轴

图1 原传动轴结构示意图

Figure 1 The previous structure of transmission shaft

变化，这种运行情况将使十字万向联轴器承受较大的扭矩和交变负荷，造成十字万向联轴器的损坏。其损坏形式主要是万向联轴器十字轴轴颈与叉形板上孔或滚针轴承工作面产生压痕与剥落(图2)[5-7]。

1、3. 锥销 2. 十字块 图2 十字万向联轴器示意图Figure 2 The schematic diagram of universal cross joints

2 改进方法

2.1 设计方案

为了满足生产和维修要求，在不改变传动原理的基础上对现有传动装置结构进行改进，将传动轴由原来的一体化结构，改为可快速单独拆卸的组件，实现快装要求。通过在两端分别增加自制的联轴节，利用中间套筒与轴的滑动调整，实现新的尺寸链(图3)[8]。

设计方案：① 对原传动组件进行分段，采用CH盒外透明包装机输出端、万向联轴器组件、CV条外透明包装机输入

图3 改进前、后传动尺寸链示意图(单位：mm)

Figure 3 The diagrams before and after modification of dimensional chain for transmission

端，并利用原结构两机之间空间来实现各部分的结合，组成快装式传动组件。② 在CH盒外透明包装机输出端、CV条外透明包装机输入端两端分别加装固定联轴节，用以与装配好的万向联轴器组件联接。③ 为了不影响万向联轴器转向，故在套筒与右端联轴节之间留出45 mm空间。④ 将联轴节的外形尺寸确定为φ75 mm×φ50 mm×113 mm。与联轴节配合孔深度30 mm。满足实现快速安装万向联轴器组件的要求。⑤ 联轴节与轴的联接方式仍采用锥销联接。⑥ 为了满足动力的传递和拆装的方便性，联轴节与万向联轴器组件的联接不再采用锥销联接，改为平键联接，并加装紧固螺钉固定。

2.2 快装式万向联轴器组件的设计和安装

2.2.1 材料的选择 零件材料采用45#优质碳素结构钢。45#钢中的硫、磷及非金属夹杂物的含量比较少，表面质量、组织结构的均匀性较好。经过热处理调质后，具有较好的综合机械性能，主要用来制造齿轮、套筒、轴等零件，应用非常广泛，能够满足使用要求。

2.2.2 零件加工 依据所采集的数据，结合实际情况，设计加工联轴节(图4)。通过对万向联轴器进行加工键槽的方式，满足工艺要求，需将万向联轴器的一端加工出8 mm×30 mm 的键槽。改造完成后成品见图5。

图4 联轴节示意图(单位：mm)Figure 4 The schematic diagram of universal joints

图5 加工后的万向联轴节(单位：mm)Figure 5 The assembly diagram of universal cross joints

2.2.3 快装式万向联轴器组件的组合安装 将加工的联轴节分别装入CH盒外透明包装机输出端、CV条外透明包装机输入端，用φ8 mm锥销连接固定。完成方案实施的CH输出端、CV输入端的独立。松开M8锁紧螺栓。利用74 mm 的可调整范围，缩短装配完整的万向联轴器组件的长度。采用键联接形式分别装入联轴节(2件)。并用2个M8的紧固螺钉加以固定(图6、7)，改造部位改造前后对比图见图8。

1. CV输入轴 2、10. 联轴节 3、9. 紧固螺钉 4、8. 万向联轴器 5. 轴 6. 锁紧螺栓 7. 套筒 11. CH输出轴

图6 快装式万向联轴器组件装配示意图

Figure 6 The schematic diagram of universal cross joints

1、7. 万向联轴器 2. 销 3. 轴 4. 键 5. 套筒 6. 销 图7 万向联轴器组件示意图Figure 7 The schematic diagram of universal crosscomponents

图8 改造部位改造前后对比图Figure 8 Thecomparison diagram before and after transformation

3 新结构的仿真试验

3.1 联轴器的运动特性分析

根据文献[9]描述的单十字轴万向联轴器连接时的传动关系图，当单万向联轴器的主动轴与从动轴的轴间夹角α的取值不为零时，转角之间存在式(1)的依赖关系：

(1)

式中：

φ1、φ2——分别为单万向节时联轴器主动轴和从动轴的转角，(°)。

针对式(1)时间t进行求导，得到式(2)。

(2)

式中：

ω1、ω2——分别为主动轴和从动轴的角速度，rad/s。

在主动轴角速度φ1取值等于0°或者180°时，接管角速度的最大取值ω2max按式(3)计算：

(3)

在主动轴角速度φ1取值等于90°或者270°时，接管角速度的最小取值ω2min按式(4)计算：

ω2min=ω1cosα。

(4)

针对式(2)进一步按照时间t进行求导，在主动轴角加速度ε1的取值为0时，则：

(5)

同理，针对图7、8描述的万向联轴器双十字轴连接结构，可以进行类似推导，得出如式(6)、(7)的对比关系。

(6)

(7)

式中：

φ1、φ3——分别为双万向节时联轴器主动轴和从动轴的转角，(°)；

α1、α3——分别为接管与双万向节时，联轴器主动轴和从动轴之间的轴间夹角，(°)；

ε1、ε3——分别为主动轴和从动轴的角速度，rad/s。

3.2 运动学仿真试验与结果分析

本试验采用有限元分析软件ANSYS Workbench进行仿真试验，计算得到各个部件的应力情况，通过试验数据结果发现十字轴式万向联轴器结构的关键零部件——十字轴，是一个非常脆弱的构件，在动力学仿真软件ADAMS上进行多次仿真测试，分析测算十字轴的磨损寿命时长。选择Hertz理论的非线性等效弹簧阻尼模型作为耐磨性测试基准，充分分析库仑摩擦的影响情况，在仿真试验平台ADAMS中，选定接近现实情况的接触力参数去设置和初始化模型，构件基于十字轴和中间轴等柔性构件的刚柔耦合仿真系统，分析在不同间隙情况下的变化状况[10]。重点对十字轴式万向联轴器仿真系统的各种角速度、角加速度和接触力的变化情况开展研究分析，在不同参数设置情况下，将模拟模型的动力学仿真分析的结果对比分析，结合现场实际情况，发现本试验仿真结果可以较好地反映万向联轴器系统在不同间隙和柔性体情况下，动力学性能所受到的影响[11-12]。下面是针对万向联轴器进行仿真试验的具体实现步骤：

(1) 建立观测点。先分别在接管和主动轴表面各选取一个观测点，再测量所选取2个观测点的速度和加速度，可以通过鼠标点击设立的观测点获取相关数值。

(2) 运动学仿真。在激活传感器的素材清单，选择主动轴角速度和接管角速度这2个选项，模拟这2个传感器随时间而变化的曲线。在试验平台仿真后，发现主动轴的角速度呈一条直线，接管的角速度变化趋势为正弦函数曲线，ω1与ω2的对比变化曲线，见图9。在仿真平台上设定驱动角速度取值为20°/s，此时，主动轴旋转一周的时间为18 s；并且，当主动轴回转一周时，接管也伴随回转一周。从图9中可得，在主动轴按照等角速度回转一周的过程中，接管的角速度并非匀速变化，而是呈现时快、时慢的交替性和周期性变化，在18 s一个间隔周期内，快于和慢于主动轴角速度的变化情况均出现了2次，仿真情况与式(2)描述原理基本吻合。

图9 ω1与ω2的对比曲线Figure 9 Thecontrast curve diagram between ω1 and ω2

按照类似仿真步骤分析主动轴的角速度ω1和从动轴角速度ω3的变化关系，2个角速度对比变化曲线见图10。当仅接管与主动轴和从动轴之间的轴间夹角α1和α3取值相同时，主动轴转角同从动轴转角相同，从而实现主动轴和从动轴同步转动，2条曲线关于时间的变化趋势完全重合，验证了式(6)、(7)所描述的理论。为进一步详细分析ω1和ω3的对比情况，试验选取在一个时间段内不同时间点的仿真结果做对比分析，它们的取值几乎相同[13]。

图10 ω1与ω3的对比曲线Figure 10 The contrast curve diagram between ω1 and ω3

当仿真模型和理论模型的初始位置不相同时，运动规律曲线更为复杂。此时，进一步分析传感器的联合曲线，先选定激活清单中的主动轴转角和接管角速度传感器进行分析，再计算接管角速度相对于主动轴转角的变化情况见图11。经过仿真试验，发现在α和ω1取确定数值时，ω2是依赖于主动轴转角φ1的函数，且ω2随着φ1的变化呈周期性改变。在这种情况下，由于初始位置不同，仿真曲线和理论计算相差90°，从侧面验证仿真结果同式(2)描述的理论是一致的。同理进行类似仿真试验，接管角加速度相对主动轴转角传感器的变化趋势曲线见图12。试验结果表明，当α和ω1取确定数值时，ε2是关于主动轴转角φ1的函数，并且ε2随φ1呈周期性变化，同式(5)的理论描述的结果是一致的[14]。

针对新结构的运动学仿真可以同传感器检查干涉一起进行，可以动态地检查新结构设计中的错误，对结构中不完善的部件进行修正[15]。同时，还可以对已经装配好的构件进行全面的空间分析，检测出零部件之间可能存在的冲突之处，在树形图上直接实现对零件修改，消除干涉造成的影响。在本模型的仿真试验中，未发生模型的动态干涉现象。

图11 接管角速度相对于主动轴转角的变化曲线

Figure 11 The curve diagram of tube angular velocity which relative to corner of main driver shaft

图12 接管角加速度相对于主动轴转角的变化曲线

Figure 12 The curve diagram of tube angular acceleration which relative to corner of main driver shaft

4 结论

改进后的快装式万向联轴器组件具有以下特点：① 新设计的传动轴既不改变原传动方式，又能实现快速拆卸和安装，降低故障停机时间；② 摒弃了原有的传动轴一体化结构，改进为可快速单独拆卸的组件形式，通过在两端分别增加自制的联轴节，利用中间套筒与轴的滑动调整，实现新的尺寸链；③ 万向联轴器组件提高了承载力，转动更加灵活，磨损小，能量传递损耗更小，使用寿命长，不需购置额外备件，稳定性好，可靠性高； 简化维修过程，减少不必要的零件拆装，降低维修劳动强度。当万向联轴器损坏时，单人即可维修操作，简单高效。原有3人配合维修更换需180 min，现在单人40 min即可完成。

GDX2硬盒包装机组CH与CV联接传动轴经过改进后，解决了更换万向联轴器费时费力的问题，有效地提高了设备的有效作业率，保证了设备的正常运行。改进后的快装式万向联轴器组件，结构简单，运行可靠，在GDX1软盒包装机组、GDX2硬盒包装机组中具有很好的推广价值，目前该项目已获得国家实用新型专利，并在30多家卷烟厂推广应用。