GDX1、GDX2包装机一号轮夹臂装置的改造

2020-08-01徐友良郑以龙

机械工程师 2020年7期

徐友良, 郑以龙

（安徽中烟工业有限责任公司滁州卷烟厂，安徽滁州239000）

0 引言

DX2硬盒硬条包装机是目前国内烟草包装设备中的主力产品，该机具有运行平稳、有效作业率高、维修方便等诸多优点，采用MICRO-Ⅱ计算机控制系统，可高速稳定地完成从烟支进给到条盒成品包装的全部生产过程。在设备的长期使用中，时常发生一号轮夹紧爪开合失灵，出现夹紧爪拨杆与衬套咬死现象，产生烟支刮破、残断、皱褶等现象，并可能伴随铝箔纸输送堵塞、折叠不良等质量缺陷，由于很难及时发现故障，往往会引发批质量事故的发生。修复该故障一般要拆卸一号轮，这就增加了维修工作量，严重影响了设备效率，也造成了原辅材料的极大浪费。

1 GDX1、GDX2一号轮的功能及工作原理

1.1 一号轮的功能

一号轮是烟组传递交接轮，其主要完成烟组的定位和传送。其转动轴为水平放置，一号轮在转轴带动下做逆时针间歇转动，经检测器检验合格后的20支烟由输送链模盒输送到一号轮前面停顿时，第二推进器把这组已排列整齐的烟支组推动，经烟支套口推向一号轮的烟模内。一号轮每旋转180°停顿—次。停顿期间一号轮两侧对称的夹紧爪处于水平位置，并且夹紧爪略微张开，此时20支烟被推入一号轮右边位置的夹紧爪内，夹紧爪关闭，紧接着一号轮再逆时针旋转180°，然后一号轮推杆将已经转到一号轮左边位置的20支烟带着输送到位的内衬纸推向二号轮，开始进行内衬纸的包装。

1.2 一号轮的组成、作用及工作原理

一号轮主要由轮体、烟支夹紧机构组成。一号轮的作用：1）在烟支组被第二推进器推入到一号轮的过程中（经烟支套口），一号轮压烟器能够起减速作用，还能够避免烟支端部的烟丝露出，同时减少推入过程中因惯性而造成的对烟支的撞击；2）在烟支第二推进器将模盒中的20支烟支推入一号轮后，压烟器将20支烟支压紧，以便一号轮两对夹紧爪能将20支烟支夹住而不会损坏烟支。

一号轮工作时是通过一号轮旋转、一号轮夹紧爪的张开和闭合，实现烟支组的传递。一号轮转动示意图如图1所示。

图1 一号轮传动示意图

由机身传动系统轴I2将动力通过齿轮4和齿轮6传给齿轮7，齿轮7上的拨轮14 通过两个销钉螺丝与之固联，所以轴3转动就能够带动拨轮14转动，拨轮14上的辊子（2个）可拨动有6个槽的槽轮8实现间歇转动。槽轮8与齿轮13之间有中间套，槽轮8转动也带动齿轮13转动，齿轮13与齿轮12啮合，齿轮12与一号轮座10固联，因而槽轮8的间歇转动就带动一号轮座做间歇转动，一号轮固联在一号轮座上，因此，通过一号轮座做间歇转动带动一号轮做间歇转动。这样就实现了一号轮的旋转运动。一号轮夹紧爪的张开和闭合：如图1所示，机身传递的动力经过轴3到达凸轮1，凸轮1通过滚珠2带动摆杆5摆动，与摆杆5相连的连杆9使轴11往复转动，轴11的转动使一号轮内的夹钳凸轮3（如图2）随之转动，这样一号轮的夹钳4做张开和闭合动作，使烟组能够顺利地进入一号轮，在一号轮转动时夹持住烟组，并能够在烟组和铝箔纸进入二号轮时能够顺利进入。

图2 一号轮

2 存在的问题

GDX1、GDX2在正常生产过程中，一号轮故障大多是由于夹紧爪张合失灵，从而造成烟支破损，烟支偏离正常位置，造成铝箔纸折叠故障，甚至造成一号轮损坏，影响产品质量及设备有效作业率。因此要分析设备维护保养和点检是否有不到位的情况，通过分析发现，在一号轮各组件都正常的情况下，依然存在一号轮夹紧爪张合失灵现象。

3 原因分析

3.1 轴套的作用及其应用

1）轴套的作用。在运转部件中，因长期的转动会使相对转动的零部件之间产生摩擦而造成零件的磨损，如果轴和孔之间有相对转动，轴和孔的间隙磨损到一定程度的时候必须要更换轴或孔座，因此在设计的时候采用硬度比较低、较耐磨的材料作为轴套，这样就能够减少轴和孔座的磨损，一旦轴套磨损到需要更换时，只需更换轴套而无需更换轴或孔座，从而节约了成本。大多情况下，轴套与孔座为过盈配合，轴套与轴之间为间隙配合，原因是磨损无法避免，且轴类零件比较容易加工，座孔的二次加工无法保证正确的中心位置。

2）轴套的应用。轴套一般用于转动件转速比较低，转动件受到的径向载荷较高且间隙要求比较高的部位，能够代替滚动轴承，要求其材料硬度较低且耐磨，轴套起滑动轴承作用。一般来讲，轴套只能承受较小的轴向载荷。

3.2 轴套在一号轮中的作用及其不足

1）轴套在一号轮中的作用。轴套起到避免更换拨轴及一号轮轮体的作用，因为轴套比拨轴易于磨损，轴套与一号轮轮体是过盈配合，出现磨损时通常是轴套的内孔磨损量大，只需更换轴套而无需更换拨轴和一号轮轮体。轴套应用在一号轮能够起到滑动轴承的作用。

2）轴套在一号轮中的不足。一号轮拨杆与衬套工作在转速中等（3.33 r/s），径向载荷较高的地方，用来替代滚动轴承，材料要求硬度低且耐磨，轴套内孔经研磨刮削，能达到较高配合精度，但长时间工作容易出现干磨现象，轴和轴套就会报废，从而使拨轴与轴套的配合状态发生改变，导致设备运行时拨杆与衬套之间发热，加剧磨损，甚至出现咬死现象，一号轮夹紧爪失效，影响产品质量和设备正常运行。

3.3 滚针轴承的作用及用于一号轮的能够实现的功能

1）滚针轴承的作用。滚针轴承是滚动轴承的一种，指装有细而长的滚子（滚子长度为其直径的3～10倍，直径一般不大于5 mm），因此径向结构紧凑，与其他类型轴承相比，其外径最小，特别适用于径向安装尺寸受限制的位置。内外圈可以分离，工作时允许内外圈有少量的轴向错动。滚针轴承的作用是承担径向载荷。也可以认为是用来给转轴定位，即固定轴使之能够转动，而不能径向移动。

2）滚针轴承用于一号轮能够实现的功能。承载拨杆带动夹紧爪提供张合动作时的径向力，即拨杆在一号轮夹紧爪张合凸轮和夹紧爪拉簧共同作用下所受径向力。由于润滑脂的作用，良好的润滑能够确保拨杆与轴承之间的长时间运转。而且BK0808型滚针轴承具有防尘作用，能够防止烟末和灰尘进入拨杆和轴承之间。

3）滚针轴承与轴套对比。从能够实现的功能、互换性、防尘功能、摩损情况几方面进行对比，如表1所示。

表1 滚针轴承与轴套的对比

从一号轮工作原理可知，影响一号轮夹紧爪张合的因素有4点：一是夹紧爪故障，即夹紧爪变形、夹紧爪尺寸不正确；二是控制夹紧爪张合的凸轮故障，即凸轮工作时序不正确、凸轮加工尺寸不正确；三是拨杆故障，即拨杆加工尺寸不正确、拨杆与衬套配合失灵；四是拉簧故障，即拉簧失效。

结合一号轮工作原理和实际维修情况进行维修统计后发现：夹紧爪符合使用要求，控制夹紧爪张合的凸轮工作时序正确，凸轮没有损坏，拉簧工作正常。因此可以排除夹紧爪故障、控制夹紧爪张合的凸轮故障、拉簧故障。这样也就确定故障主要与拨杆相关，而且每次维修时大多数是拨杆与衬套配合出现故障，由于拨杆是在凸轮和拉簧共同作用下实现张合动作，且长时间受力不均造成拨杆与衬套配合处磨损不一致，也就容易造成拨杆与衬套之间配合故障，造成张合失效，甚至咬死，这样就造成夹紧爪不能正常工作。

4 设计方案

为了解决拨杆与衬套配合的问题，可以改造原来的配合形式。原拨杆与衬套的配合是拨杆的外圆柱面与衬套的内圆柱面之间的滑动，它们之间的摩擦形式是滑动摩擦，为了减小摩擦和磨损，又因滚动轴承具有摩擦因数小、起动力矩小、效率高、运动精度高、轴向尺寸小、润滑简单、易于维护、互换性好等优点，也为了达到防尘的效果，采用防尘滚针轴承代替原轴套。该方案论证表如表2所示。

表2 设计方案论证表

从以上设计方案的结论分析，认为此方案既不改变原一号轮的结构，又不改变拨杆的实际尺寸，只是将原来的轴与套的配合改变为轴与轴承的配合，这样既能够达到一号轮夹紧爪正确张合，又减小了该部件的摩擦、磨损，而且能够防止灰尘等进入拨杆与衬套之间，有效地减少了一号轮部件的故障造成的设备停机及部件损坏的情况。

5 实施过程

5.1 外形尺寸设计及滚针轴承的选定

1）外形尺寸设计。为了不影响其它组件的安装及使用，对原一号轮进行改造。拨杆选用原拨杆，一号轮轮体依然选用原一号轮轮体。

2）滚针轴承的选定。首先根据一号轮轮体内轴套的尺寸选择轴承型号：轴套外径为φ12 mm，内径为8 mm,厚度为8 mm，据此可选择的轴承型号为BK0808 和HK0808，为达到较好防尘效果，里侧4个轴承选用BK0808轴承（首先在1#GDX2上安装测试）。

3）附加套的选定。由于一号轮夹紧爪长轴上的套更换为滚针轴承后，其安装滚子端与轴承之间需要加装隔套，根据夹紧爪长轴的外径确定隔套内径为φ8 mm，隔套外径与轴承一致为φ12 mm，长度为8 mm（由原套长度减去滚针轴承厚度）。附加套结构如图3所示。

图3 附加套

5.2 安装滚针轴承

1）滚针轴承在一号轮轮体中的定位。滚针轴承HK0808和BK0808的外径为φ12 mm, 一号轮轮体上的安装孔内径为φ11.98 mm，它们之间的配合为过盈配合，这样能够确保拨轴在凸轮驱动下转动时，滚针轴承的外圈与一号轮轮体没有相对转动，避免了一号轮轮体内孔磨损。

2）拨轴与滚针轴承在一号轮轮体中的配合。拨轴的外径为φ8 mm，滚针轴承的内孔孔径为φ8 mm，它们之间的配合为间隙配合，也就能够确保拨轴在滚针轴承里实现正确动作，也就是既能够在凸轮的驱动下通过拨轴带动夹紧爪正确打开，也能够在拉簧的作用下及时闭合。拨轴与轴承的配合示意图如图4所示, 拨轴与附加套及轴承的配合示意图如图5所示。

图4 短拨轴与轴承的配合

图5 长拨轴与附加套及轴承的配合

6 效果分析

6.1 安装滚针轴承后的效果测试

为了掌握安装滚针轴承后设备运行效果，于2018年9、12月及2019年1月上旬在5#GDX2进行了为期3个月的测试，测试效果如表3所示。

从以上收集的数据可以看出：一号轮夹紧爪故障次数为0，改造效果良好。

6.2 改造前后对比测试

设备改造前根据GDX1、GDX2包装机组操作说明书保养要求，结合中烟及厂部要求每月进行一号轮拆卸分解，检查一号轮轮体、拨轴、夹紧爪、凸轮、拉簧、轴套、一号轮模盒导板。更换一号轮磨损件和失效零部件。

对GDX2五号机组改造前后一号轮因夹紧爪故障造成的维修进行统计，如表4、表5所示。设备运行时间一号轮夹紧爪故障次数效果2018 年9 月 0 良好2018 年12 月 0 良好2019 年1 月 0 良好

表4 2018年GDX2机组5#机台1月—8月一号轮夹紧爪故障统计(改进前)

表5 GDX2机组5#机台在2018年9月-2019年2月一号轮夹紧爪故障统计（改进后）

从以上收集的数据可以看出：一号轮夹紧爪故障次数为0，改造效果良好。

6.3 推广及对比测试

为了得到更准确和更多的数据，于2019年2月—2019年5月在GDX2机组1#、3#、5#机台及GDX1机组1#机台进行连续测试，其中1#机台里侧4个轴承用BK0808，测试结果表明，相关机台一号轮夹紧爪故障次数均为0。

从以上收集的数据可以看出：GDX2机组1#、3#、5#机台4个月运行正常，在GDX1机组运行也正常，达到目标，推广效果良好。小组还将1#机台与另外3台里侧轴及轴承进行对比，发现1#机台里侧轴承润滑状况更好。

6.4 经济效益

根据原设备维护保养要求：每月对一号轮进行检修并更换轴套，每月每台套更换两组8个，每台套成本需180×6+220×2=1520 元，每台套半年更换轴套费用为1520元；而更换成滚针轴承后每半年检查一次，更换滚针轴承费用为：16.24×4+32×4=184.96元，二者相减每台套每半年节约费用为1335.04元。以每次更换轴套时间为1.5 h计，每半年节约维修工时为7.5 h。

随后对本组在用的所有GD包装机进行了推广改进，并于2019年2月—2019年5月对所有改进跟踪验证，无异常情况发生，改进效果显著。