GDX1主机出口转盘传动轴的改进分析

温亮，吴德成，李正伟

（深圳烟草工业有限责任公司，广东 深圳 518109）

GDX1软盒包装机组是卷烟生产行业普遍使用的包装机型，原装进口于意大利G.D公司，设计能力为400包/min，是国内卷烟企业的主流机型。GDX1包装机主机采用出口转盘进行烟包的输出，而出口转盘采用出口转盘传动轴（后称传动轴）进行动力传输，传动轴的运转可靠性对提升出口转盘的运转准确性和提升烟包质量有关键作用。但是，在实际工作中，传动轴的故障率较高，主要表现为十字万向节磨损和花键胶合等。目前，GDX1出口转盘传动轴主要依赖于进口，不但订购周期长、使用成本高，而且因其自身的结构特点，给维修、安装工作增加了较大难度。

近年来，对GDX1包装机组进行了大量的技术改造。伍宇超通过对驱动装置进行整体改进,将电磁铁驱动改造为电磁阀控制的气缸驱动,有效地解决了因离合器驱动装置不稳定而造成离合器失效的问题；查海、王建中对GDX1软盒包装机条盒出口美容器温度控制系统进行了改进，改善了条盒透明纸常常出现的边角褶皱、局部温度过高或过低等现象；徐友良,郑以龙对GDX1、GDX2包装机1号轮夹臂装置进行改造，解决了由于夹紧爪工作不到位而导致的烟支褶皱、挂破等质量缺陷，保障了产品质量的稳定性，提高了设备的有效作业率，降低了维修的工作量；孙靖倚针对使用过程中商标纸上胶不稳定的问题，对GDX1包装机商标纸上胶机构胶辊及胶辊轴进行了优化改进，有效地减少了胶辊与胶辊轴之间的磨损，避免了因胶辊偏心引起的涂胶不均匀的现象，提高了包装机的生产效率；张晓斌、姚劲等通过在拉带输送组件输送轮处增加防拉带跳槽装置，有效控制了小包透明纸拉带包装缺陷。但对于GDX1主机出口转盘传动轴的改进则少有报道。因此，对传动轴进行改进，旨在降低设备维修劳动强度，提高设备的使用寿命。

1 问题分析

1.1 工作原理

出口转盘传动轴（后称传动轴）是连接齿轮轴OX5269与出口转盘中心轴的传动构件，动力由齿轮轴OX5269输入，将动力传递到传动轴，传动轴与出口转盘中心轴连接，带动出口转盘转动，最终实现烟包的输出运动，其传动示意图如图1所示。

图1 GDX1出口转盘传动示意图

传动轴主要由左、右万向节和中部的轴体组成，见图2。其中万向节为不可拆卸结构，在使用过程中，传动轴两端分别套接在齿轮轴和出口转盘中心轴上，并采用顶丝固定，同时在两端均配种了销钉，以防止传动轴运动走位，花键起到了伸缩改变传动轴长度的作用，便于拆装。在维修过程中，拆卸和安装传动轴首先需要拆卸和安装销钉，维修耗时较长。

图2 传动轴的组成

1.2 存在问题

出口转盘推烟器使烟包由直线进给运动转变为绕转盘中心轴的圆周运动，运动状态发生急剧变化且GDX1软盒包装机运转速度高，造成烟包在换向时容易发生堵塞，往往导致传动轴因承受过大扭矩而被损坏，如何降低传动轴的维修成本，提高使用寿命是设备维修人员急迫需要解决的难题。

目前，行业内使用的传动轴采用十字万向节联接叉形头，无独立的相位调节装置，利用花键联接，在维修、安装过程中存在以下问题：（1）采用十字连轴节，万向节不可拆卸，拆卸和安装首先要拆卸和安装销钉，维修难度大。（2）传动轴采用花键联接，一旦发生磨损，滑动阻力变大，拆装困难。（3）传动轴没有独立的相位调节装置，相位走位后，需要重新配种销钉，增加了传动轴相位调节难度。

2 改进方法

通过分析目前行业内GDX1主机出口转盘传动轴的结构，发现叉形头配销困难、万向节易损坏是导致传动轴拆装时间长、使用寿命短的主要原因。因此，针对目前传动轴万向节不可拆卸、花键胶合、无独立的相位调节装置等不足，改进了传动轴的结构。

改进后传动轴设计了一种压板式万向节，由两块压板和成十字交叉叠合的销轴组合而成，为可拆卸结构。同时，在传动轴中部增加了一个拆卸口，方便传动轴拆卸过程中从中部脱开，可以提高拆卸和相位调节的效率。此外，利用方杆方套的联接方式代替原来的花键联接，防止接触面的胶合，提高拆卸效率。其结构如图3所示。

图3 改进后传动轴的结构

2.1 万向节设计

针对现有万向节存在的不足，设计了一种可拆卸板式结构万向节，具有承载能力强、拆卸方便、结构简单、容易加工等特点，其结构如图4所示。

图4 板式结构万向节

板式结构万向节由两根带有缺口的直销和两块带有U型直槽的压板组成，安装时，两块带有U型直槽的压板通过锁紧螺钉将带有缺口的直销相互垂直地固定在一起，直销的两端通过轴承完成与叉形头的配合。组合好的十字节，分别装入左右两个成90度排列的叉形头中，每个叉形头设计了两个轴承，十字节的销轴插入对应叉形头的轴承孔内。拆装时，转动叉形头至一定角度，即可安装或者拆卸十字节的压板螺钉，维修简单方便。

2.2 滑动联接配合参数设定

改进后的传动轴采用方杆方套滑动联接方式代替花键联接。方套设计了夹抱机构，采用两颗螺钉对方杆进行夹紧，可以有效降低配合间隙，减少运动间隙，防止配合面的胶合和磨损，提升联接强度。利用计算机辅助设计优化方头方套配合的尺寸参数，其主要结构如图5所示。

图5 方杆方套滑动联接

根据空心轴计算公式可得传动轴最小外径尺寸Dmin为：

式中，p为出口转盘功率，取p=2kW；α为轴的内外径比值，取α=0.8；[]ô为材料剪切强度，材料为A3钢，查阅机械设计手册，取[ô]=141MPa；n为出口转盘转速，取n=200rpm。

由GDX1主机出口转盘传动轴的实测尺寸可知，传动轴的直径d为25㎜，改进后传动轴的滑动联接承载能力设置为原有轴的基础上提高20%，故改进后传动轴的滑动联接母头外径D=30㎜＞Dmin。由于轴的内外径比值α为0.8，故方杆方套滑动联接母头内径不能超过24㎜。

方头的宽度h和厚度b对方头的强度起到关键作用，因此方头所受剪切应力应满足：

式中，T为传动轴所受扭矩（N•m）；δ为A3钢泊松比，取δ=0.3。

以方头宽度h和厚度b为变量绘制函数曲线，如图6所示。由图6可知，在方头施加最大剪切强度[ô]=141MPa时，方大宽度h的取值范围为3～24㎜，方头厚度b的取值范围为8～24㎜。

图6 方头厚度对宽度的函数关系

将上述方头宽度h和厚度b的计算结果输入计算机，利用ANSYS软件进行参数优化，在相同的扭矩作用下对比方头的最大变形，变形越小强度越高，优化结果显示方头宽度h取22㎜，厚度b取12㎜为最优参数组合。

2.3 相位调节装置设计

目前使用的转盘出口传动轴无独立的相位调节装置，当相位走位后，必须拆卸传动轴两端的销钉才能校正，校正后还需要重新配种销钉，调试、安装过程过于复杂。基于这一现状，改进了传动轴的相位调节结构。该相位调节结构采用圆筒圆柱顶丝结构，当相位发生改变时，只需松开5个螺钉就能轻松调节相位，操作便捷，极大地降低了设备维修劳动强度，其结构如图7所示。

图7 相位调节装置

3 应用效果

3.1 试验设计

根据改进后传动轴的零件加工图纸，制作传动轴零件，并进行安装、调试，见图8。

图8 传动轴安装过程

3.2 数据分析

由表1可见，改进后，传动轴的维修耗时从247min降到24min，维修效率提高了929.2%，大幅度提高了工作效率，降低了维修人员的劳动强度。

表1 改进前后拆装传动轴耗时对比

由表2可见，改进后，传动轴的使用寿命由89天提高到155天，使用寿命提高了74.2%。

表2 改进前后传动轴使用寿命对比

4 结语

通过设计独立的相位调节装置，改进板式万向节结构和方杆方套滑动联接方式，利用仿真分析软件寻找传动轴的受力薄弱点并优化方杆方套配合尺寸参数，对GDX1主机出口转盘传动轴进行了改进，有效解决了现有传动轴拆装困难、使用寿命低、过度依赖进口的瓶颈。改进后，传动轴的各个零部件均可独立更换维修，极大地降低了维修成本和维修劳动强度。对改进后的传动轴进行运行测试，结果表明，改进后出口转盘传动轴的维修效率提高了929.2%，使用寿命至少提高了74.2%，极大地提高了维修效率，降低了设备维修劳动强度和维修成本。