香烟包装机械中下烟装置设计

摘要：本文针对传统下烟装置刚性过大的问题，提出柔性下烟的设想并完成了相应的下烟装置结构设计，该设计核心思想是采用“行星轮系”来完成柔性下烟，即对香烟包装机械下烟装置进行柔性设计，分别给出了下烟装置、传送装置的设计框架。用3个行星轮系代替传统的凸轮下烟机构，并合理配置齿轮和轴。采用连架杆机构来维持3组行星轮系的同步操作。还对柔性下烟装置的关键部件进行了详细设计，即对下烟装置的行星轮进行设计、三维装配和动力学分析。

关键词：香烟包装；下烟装置；结构设计；仿真试验

中图分类号：TS43""""""""" 文献标志码：A

在我国大多数香烟生产商的包装过程中，香烟包装存在一定的效率不足问题，尤其是烟支从烟库下烟后，经常会发生包装过程中断的现象，由此引起的停机率为三成到四成[1]。其直接原因是烟支的质量问题（如残次品）和空烟问题。实际上，刚刚下烟的烟支存在质量问题的概率很低，但在下烟环节之后的环节中，烟支会因与推烟板发生刚性接触而出现质量下降，如烟支折断和褶皱等现象[2]。后续的铝箔纸包装和商标粘贴就都会受到影响，进而导致包装机械停机，香烟包装的效率严重降低[3]。本文针对传统下烟装置刚性过大的问题，提出了柔性下烟的设想并完成了相应的下烟装置结构设计，该设计的核心思想是采用“行星轮系”进行柔性下烟，并在烟支传输过程中配合负压风吸操作，以降低烟支传输过程中所受的刚性冲击力。

1下烟装置的总体框架设计

1.1香烟包装常用下烟方案分析

在目前普遍应用的香烟包装机械系统中，工作速度处于中速到高速区间的包装机械系统为60%～80%。在这些系统中，烟支的传送通常采用“推烟法”。以烟盒容纳20支香烟的情况为例，从烟库下放到烟模盒的排放顺序一般为3层排列，3层排列的具体烟支数量有所不同，一种是上7、中6、下7，另一种是上7、中7、下6。烟支排放好以后，使用推烟板将其一并推入烟盒，整个下烟过程即执行完毕。但这种比较通用的方案有3个缺点。1）利用凸轮机构进行主体运动，运动效率不高并且存在一定比例的运动间隙，传送速度受到一定程度的限制，凸轮机构的运动也比较容易对下烟过程造成冲击和磨损。2）3层烟支一起被推入烟模盒，烟支受到冲击而破损的可能性较大，这也是造成各种破损的主要原因。3）在实际的包装过程中，因为推烟过程的受到冲击比较明显，所以工作中振动和噪声现象也比较明显。

1.2本文下烟装置总体方案设计

针对上述情况，本文对下烟装置进行了全新设计，以增加下烟过程的柔性。本文将下烟操作的核心运动模式改为轮式传送，烟支从烟库下放到烟模盒的过程由3个行星轮完成。行星轮不仅具有行程稳定、定位精度高的特点，还能避免凸轮机构运动过程中的刚性，减少烟支的破损率。该下烟装置的整体布局如图1所示。

下烟装置共采用了3个行星轮。位置最低的行星轮安放烟模盒中下层香烟，下放烟支的数量为7支。烟模盒接收到第一层7支香烟后继续向前运动，等待第二个行星轮的操作。第二个行星轮处于中间位置，安放烟模盒中中层香烟，下放烟支的数量为6支。烟模盒接收到第二层6支香烟后继续向前运动，等待第三个行星轮的操作。第三个行星轮处于最高位置，安放烟模盒中上层香烟，下放烟支的数量为7支。

每一个行星轮下烟的过程如图2所示。

下烟装置的每一个行星轮是一个三轮轮系，包括中间轮、行星轮和底部轮。行星轮不但可以绕自身的回转中心顺时针转动，还可以绕中间轮的回转中心做逆时针转动，并在转动过程中利用负压吸附作用进行烟支传送。首先，烟库中的烟支下放到行星轮的烟槽内。其次，行星轮和中间轮通过相向的回转运动将烟支传递给中间轮。再次，中间轮和底部轮通过相向的回转运动将烟支传递给底部轮。最后，底部轮中的烟支被下放到烟模盒中，由于烟模盒和底部轮的瞬时运动线速度一致，不会产生较大冲击，因此整个下烟过程具有一定柔性。

2下烟机构行星轮详细设计与建模

下烟装置的行星轮系设计行星轮、中间轮和底部轮，其中行星轮的作用非常重要。行星轮从烟库末端接受烟支，并通过烟槽向中间轮传递，因此需要具有较高的定位精度和足够的柔性，才能确保传递的准确性，并减少烟支的破损概率。为此本文先给出了行星轮的传动设计，再进行三维模型仿真装配，最后对行星轮进行动力学分析。

行星轮是指一族齿轮中的齿轮回转轴线并不全是固定的，至少有一个齿轮的轴线要围绕固定轴线做回转运动。这表明行星轮必须满足周转轮系的条件。此外，如果周转轮系的自由度确定为1，则可以称之为行星轮系。行星轮系具有许多优良的机械性能，结构紧凑、体积小巧、承重能力强且工作平稳、可靠。行星轮系有多种啮合方式，分别为内啮合-共用齿轮-外啮合（NGW）、内啮合-外啮合（NW）、内啮合-内啮合（NN）、外啮合-外啮合（WW）、内啮合-共用齿轮-外啮合-内啮合（NGWN）以及内啮合（N）等形式。在机械设计中，行星轮系的应用非常普遍，适用于传动比较大的场合，可进行主轴转速不变情况下的变速传动和多个运动分支的运动传递。

本文的下烟装置设计采用如图3所示的行星轮结构。在香烟包装机械的下烟装置中，行星轮既要围绕固定轴线做公转，又要围绕自身轴线做自传，同时还要在与中间轮啮合的过程中完成烟支的传送。为此，本文采用了比较常见的内啮合-共用齿轮-外啮合（NGW）的行星轮结构形式。

内啮合-共用齿轮-外啮合（NGW）的行星轮结构具有制造工艺简单、安装操作方便、体积紧凑小巧和工作效率较高等特点，符合下烟装置的基本需求。本文根据该结构的传动效果来分析和设计下烟装置中的行星轮结构。标号为“Z1”的齿轮处于中间位置，即中间轮；标号为“Z2”的齿轮即行星轮；标号为“Z3”的部件是内齿圈部件。要保证行星轮的正常运动，所述机构应该满足以下3个条件。

第一，各啮合齿轮彼此间具有相同的中心距，即符合公式（1）的情况。

Z3=Z1+2Z2（1）

第二，各啮合齿轮要符合彼此间的装配条件，即符合公式（2）的情况。

式中：C为行星轮的数量；N为整数。

第三，各个行星轮间不能近邻或发生碰撞，因此二者间至少要留有模数0.5倍以上的距离，即行星轮齿顶圆半径叠加在一起不能大于二者的中心距。

还需要合理确定行星轮的轮齿数目。在下烟装置中，由于行星轮需要向中间轮传递烟支，该传递必须均匀放置在烟模盒中，因此需要确保Z1的数量为Z2的整数倍。考虑结构安装问题，整个行星轮结构既不能太大，也不能太小，最终设定Z1的数量为Z2的4倍。在烟支传送的过程中还需要充分考虑传送速度的影响，如果速度过高，将会导致离心力过大，从而削弱空气孔的吸附力，进而导致烟支脱落。从机构设计的角度来说，减少行星轮直径是可行的方案。综合分析上述情况，确定Z2的齿轮数量为19，Z1的齿轮数量为76，Z3的齿轮数量为114。

3下烟装置仿真装配与动力学分析

运动学分析是排除质量和力的因素、全面分析装配模型运动情况的重要分析手段。在Pro/E中运动学分析需要通过Analysis模块进行设置，该模块可以检测运动干涉、位置、速度和加速度等参数，并对装配模型执行全局碰撞检测，即检测所有零件在运动过程中是否会发生干涉。

进行干涉分析后，需要在伺服电机设置模块中的“图形”控件中进一步分析行星轮装配模型的位置和速度关系。中间轮的位置和速度曲线如图4所示。

从图4可以看出，斜线代表位置曲线，水平直线代表速度曲线，表明中间轮在做匀速转动。相应的位置曲线斜率固定，也反映了匀速转动的一般情况。

根据中间轮的情况，进一步推导行星轮的速度情况，可知行星轮的下烟速度是1440°/s，即中间轮转动1周，行星轮转动4. 167周。

进一步给出施加载荷后中间轮的加速度曲线，如图5所示。

4结论

本文针对传统下烟装置刚性过大的问题，提出柔性下烟的设想并完成了相应的下烟装置结构设计，该设计的核心思想是采用“行星轮系”来完成柔性下烟，并在烟支传输过程中配合负压风吸操作，以减少烟支传输过程中所受的刚性冲击力。在下烟装置结构设计中，本文分别对行星轮、中间轮、底部轮和烟模盒进行了详细设计，包括结构、装配和运动学性能分析等，给出了行星轮的结构设计、Pro/E三维仿真装配。最后对设计出的下烟装置进行了动力学分析，并得到了平稳的曲线结果。

参考文献

[1]王大林，杨月玲.YJ17卷烟机蜘蛛手吸爪的运动分析及工装核算[J]. 郑州轻工业学院学报，2019，14（2）：22-23.

[2]程卫民，杜国锋. 一种新型超高速烟支输送技术的研究与设计[J]. 机械工程师，2022，52（3）：47-48.

[3]占璞，钱松荣. 基于SolidWorks细长轴的加工方法及有限元分析[J]. 煤矿机械，2022，44（7）：143-144.

通信作者：韩静芸（1988-），女，北京人，硕士研究生，助理研究员，研究方向为包装工程、包装机械和包装结构。

电子邮箱：562370741@qq.com。