平动机构在烟草机械中的应用

2020-03-27吴晓飞

机械工程师 2020年3期

吴晓飞

（许昌烟草机械有限责任公司，河南许昌471000）

0 引言

烟草加工机器的原动部分通常由电动机等旋转机构提供，而在实际应用中，不少特定场合需要平动机构，便于携带物料并将其平稳地传送。当刚体中所有点的运动轨迹都保持完全相同，或者说刚体内任意两点间的连线总是平行于它们的初始连线时，刚体的运动叫作平动[1]。为满足烟草机械的实际工况需求，研究开发可将转动变为平动的机构具有重要的意义。

1 平行四边形机构在ZL41复合滤棒成型机和ZL28滤棒成型机上的应用

1.1 平行四边形机构在ZL41复合滤棒成型机交接鼓轮上的应用

1.1.1 交接鼓轮的使用工况要求

ZL41复合滤棒成型是我公司研制的高速复合滤棒成型设备，按照功能模块划分为YL31复合机和YL44成型机，前者将不同种类的基棒经过切段后，按照一定的规律排列在一起；后者将排列好的各段滤棒裹上纸成为新的滤棒。为了合理利用空间，便于操作人员操作，这两部分呈直角排布，交接处需要设计一个机构，沿烟条运动方向将YL31复合机加速鼓轮传递过来的料棒段组精确地放置在YL44成型机的烟枪内，并且消除料棒段组之间的间隙，这个机构被称为“交接鼓轮”，其布局如图1所示。

1.1.2 交接鼓轮的结构

交接鼓轮结构如图2所示。内转盘1与外转盘2一后一前地互相平行且呈偏心分布，两盘面上绕各自的回转中心对应分布着相同数量的孔，并且这些孔的中心到其所在圆盘中心的距离相等。回转臂5的一端插在内转盘1的孔里，另一端插在外转盘2的孔里，吸爪3用螺钉固定在回转臂5上，回转臂5在前后两个孔中有相对转动，通常有轴承支承。内转盘1通过轴承固定于偏心机座上，随轴承外圈转动。传动轴4通过轴承装在偏心机座中，一端由电动机驱动（图中略去），另一端则与外转盘2刚性连接。这样，电动机驱动传动轴4，传动轴4带着外转盘2，外转盘2则通过回转臂5带动内转盘1一同旋转。为了使滤棒附着在吸爪上，回转臂做成中空状，一端连接着配气盘，另一端连着吸爪，便于通过空气负压形成吸附力。

当电动机带着这套机构旋转时，回转臂5及与之固定为一体的吸爪3始终做平动，这样，滤棒便能被吸爪吸附并始终保持水平方向，最终平稳地被送至烟枪当中，较好地满足了工作要求。

1.1.3 交接鼓轮的机械原理分析

为方便说明吸爪与回转臂实现平动的原理，不妨化繁为简，以其中一个转臂为研究对象作机构示意图，如图3所示。其中，内、外转盘分别简化为双曲柄1和2，回转臂则简化为连杆3[2]。

由图3易知，该机构可视作原处于同一平面上的平行四边形机构的单个曲柄，沿垂直于该平面的Z向平移后的空间机构，但该机构在Z方向不能移动，不能绕X和Y轴转动，因而仍具有平面机构的特征，仍然遵循平行四边形机构的运动特性，连杆3始终做平动，固定于其上的吸爪携带着复合滤棒始终做平动运动。

1.2 平行四边形机构在ZL28滤棒成型机刀头喇叭嘴上的应用

在滤棒成型和烟支成型设备上需要用刀头对成型后的滤棒和烟支进行切割，在切割时需要用喇叭嘴机构对这些被切条状物料进行支承，普通喇叭嘴机构主要由图4所示的曲柄摇杆机构组成，为保持喇叭嘴1的水平和姿态稳定，这里通常用两片互相平行的振动簧板2固定于机座上充当摇杆。喇叭嘴1分为左右两个零件，它们之间留有间隙，工作时刀盘上的刀片从此间隙处通过并将条状物料切断，切刀水平方向的分速度与喇叭嘴的速度一致，保证切割质量而且不损坏刀片与喇叭嘴机构。振动簧板被要求有极高的抗疲劳性能，通常由碳素纤维材料制成。

ZL28型纤维滤棒成型机是我单位目前速度最快的一款滤棒成型设备，生产速度为1000 m/min，它不仅安装着双烟枪，而且在其它方面也有不少改进，尤其是旋转喇叭嘴机构。如图5所示，该喇叭嘴结构由平行且有一定偏心分布的前后转盘充当曲柄，前后转盘上对应分布着若干孔，前后对应孔中安装转臂充当连杆，它们共同组成平形四边形机构，其原理同1.1.3节所述，所以，在转盘做旋转运动时，位于连杆上的两组喇叭嘴做平动运动。另外，由于该机具有双烟枪（如图4），后转盘是前后重叠的一对。

2 基于周转轮系的平动机构在YJ35D装盘机提升台上的应用

2.1 YJ35D装盘机上提升台的工作要求

YJ35D型装盘机是卷包生产线中烟支存储输送系统的一部分，它将上游传送来的多余的烟支装入烟盘当中，也可单独作为滤棒装盘设备使用。它主要由空盘台、烟库下部、满盘台、提升台等部分组成。空烟盘在空盘台上被推入烟库下部，边装烟边下降，装满后被送往机器下部的满盘台，并随皮带输送装置被送至满盘台的边缘。为了减轻工人的劳动强度，需要设计一个机构将充满烟的烟盘从位于机器下部的满盘台提升到人手可方便搬取的地方，这个机构便是提升台。由于烟盘不是四周全封闭的，它有一侧是开口的，为防止烟支在重力作用下散落到外面，在提升输送过程中，烟盘的开口方向需要始终保持向上不变，这样就需要能够实现平动的机构。

2.2 提升台的机构原理及周转轮系实现平动的数学分析

与YJ35D配套的提升台如图6所示，它主要由机座6、转盘5、行星轮1、太阳轮3、同步带2和托板4等部件组成，行星轮1与太阳轮3之间由同步带2连接，托板4与行星轮1固定在一起，行星轮1插在转盘5的让位孔中，与该孔无固定连接。为满足生产实际需要，托板及其行星轮做成对称分布的两套，分别通过同步带2连在太阳轮3上。行星轮1的中心与转盘5固定在一起，转盘5因而可视为行星架。电动机带着转盘5旋转时，托盘4及行星轮3一边随转盘5公转，一边自转，它能始终保持水平方向，保证放置在它上面的烟盘开口向上。

为研究方便起见，也可将提升台主要运动机构等效于图7所示的机构，亦即将图6中转盘5视同为行星架H，同步带2视同为图7中的齿轮2，行星轮1视同为图5中的齿轮1，太阳轮5视同为图5中的齿轮3，按照周转轮系的速度计算方法，其运动关系为：

上式中，由于行星轮1要求做平动，所以ω1必须为0，即

当满足下列条件之一时，上式成立：1）Z1=Z3且ω3=0。这时需要保证图4中的行星轮1和太阳轮3的齿数相同，并且将图4中的太阳轮3（图5中的齿轮3）固定于机座上；2）Z1≠Z3且ωH/ω3=Z3/（Z3－Z1）。这时该机构有2个自由度，需要由2个原动机构驱动并保证轮架与太阳轮之间的恒定传动比，或者在两者之间再增加一套带轮或齿轮传动装置保证传动比。提升台采用了条件1）所述的方案，结构简单实用。