HCF-M 装盘机转角输送段链传动系统的改进

刘澜波，韩艳军，陈 波，李华明，刘荆馨

1. 湖南中烟工业有限责任公司长沙卷烟厂，长沙市劳动中路426 号 410007

2. 西安理工大学印刷包装与数字媒体学院，西安市碑林区金花南路5 号 710048

COMFLEX-MV 是从德国HAUNI 公司引进的烟支贮存输送系统[1]，主要由HCF-M 装盘机、MAGOMAT-M 卸盘机和RTS-V 输送装置组成，烟支输送速度高达16 000 支/min。由于HCF-M 装盘机转角输送段的烟支输送链排驱动装置是一个典型的多从动轴单驱动链传动[2]，转角输送段在运行一段时间后容易出现链条卡死、导轮过载损坏等故障[3]，影响烟支输送效率。针对链传动的使用问题，殷玉枫[4]提出了多从动轴单驱动链传动的滑动摩擦功率概念并给出其计算公式，通过分析滚子链磨损条件得到了多从动轴滚子链传动使用寿命计算公式；王建军等[5]设计了一种适用于长链传动系统的双电机驱动控制系统；岳新生等[6]和杨志刚等[7]分别对三轴链传动的设计步骤及多从动轮链传动的设计内容进行了分析阐述。但对于根据实际情况将一级链传动优化为多级链传动的改进研究则鲜见报道。为此，采用组合式双联链轮技术对HCF-M 装盘机转角输送段链传动系统进行改进，将一级链传动改进为两级链传动，以期简化链传动系统结构，降低设备故障率，提高机组运行稳定性。

1 问题分析

HCF-M 装盘机转角输送段作为B 输入组件中的一个模块，通过与检视段模块联动，将PROTOS-M5 卷接机组低位输出的烟支提升到HCF-M 料库中，见图1。检视段与转角输送段分别由单独的AMK 伺服电机控制[8]，当烟支流到达光传感器B10 时，电机M10 启动检视段；当烟支流到达光传感器B11 时，电机M11 启动上行的转角输送段；当烟支流上升到光传感器B13 时，上行转角输送段的运行速度增加。

图1 B 输入组件电气控制原理图Fig.1 Principle of electrical control of B input component

转角输送段是由5 根输送链排组合构成的“S”形输送通道，每根输送链排由一个链轮驱动，5 个链轮通过一条B 系列链条传动，链条标准参数为06B-1，链节数LP为384 节[9]，整个链传动由AMK 伺服电机M11 驱动。链轮Z1 安装在电机M11 轴上，电机M11 顺时针方向旋转。由图2 可见，Z1 带动Z3、Z4 顺时针方向旋转，进而带动Z2、Z5、Z6 逆时针方向旋转，保证输送链排运动方向满足烟支所要求的输送方向。此外，“S”形输送通道为通透结构，链条布置时必须绕开“S”形通道的通透区域，才能保证操作安全性。分析可知，造成链传动系统故障频繁的主要原因是多从动轴链传动系统中包含有3 个链轮反向传动，因增加多个导轮改变链条路径，导致链传动结构复杂[10]，链条长度达3 657.6 mm，造成带挡边导轮磨损，定位精度误差增大，进而出现链传动卡死现象。

图2 改进前机构运动简图Fig.2 Kinematic sketch of mechanism before improvement

2 改进方法

采用组合式双联链轮技术对链传动系统进行改进，在Z3 链轮处增加双联链轮Z7 来带动链轮Z4，在Z6 链轮处增加双联链轮Z8 来带动链轮Z5，改进后反向传动的链轮数由3 个减少为1 个，导轮数由8 个减少为3 个，主传动链条链节数由384 节缩短到188 节，主传动链条长度由3.7 m 缩短到1.8 m，机构运动简图见图3。

图3 改进后机构运动简图Fig.3 Kinematic sketch of mechanism after improvement

2.1 M11 驱动电机反向设计

由图3 可见，如果M11 驱动电机仍按原方向旋转，各烟支输送链排则会反向运动。为此，改进后通过工控机修改电机参数将电机换向，即将HCF-M 的机器参数“B 输入段向左旋转”由默认“关闭”修改为“接通”，实现M11 驱动电机转向切换，以保证5根从动轴旋转方向和传动比保持不变。

2.2 双联链传动设计

根据Z3 与Z4、Z5 与Z6 两对相邻链轮转向一致的特点，可以将Z4 和Z5 通过双联链轮进行传动，并将原来的长传动链分解成3 个短传动链，故需要在Z3 和Z6 链轮的芯轴上再安装一个相同齿数的链轮。如果将新增链轮安装在Z3 和Z6 链轮外侧，则需要对Z3、Z4、Z5、Z6 的4 根芯轴重新设计和更换，改进成本和工作量较大，因此将新增链轮安装在Z3 和Z6 链轮内侧较合适。为保证改进前后链传动的链条工作面不变，以轴的装配台阶为基准，链轮内侧到装配台阶的距离为12 mm。图4可见，链轮内侧到内六角圆柱头螺钉之间的距离a为16 mm，06B 链条销轴宽度为13.5 mm，则内侧链条销轴端与外侧链轮的间隙只有2.5 mm。由于新增链轮厚度约为6 mm，可得链条销轴端伸出链轮的宽度为（13.5-6）/2=3.75 mm。为避免内、外侧链条发生干涉，距离a 必须大于13.5+3.75=17.25 mm。

图4 改进前转角输送段链传动结构图Fig.4 Structure of chain drive at turning section before improvement

为增大内侧链轮的安装空间，在保证外球面轴承[11]连接强度的前提下，将图4 中的内六角圆柱头螺钉和普通垫圈改进为沉头螺钉和锥面垫圈，见图5。改进后外侧链轮与沉头螺钉的间距b为23 mm，内侧链轮与沉头螺钉的间距c 为8 mm，保证了内侧链轮的安装空间。此外，将连接法兰与内侧链轮设计为整体结构，即采用带圆台的链轮。改进后外侧链轮相对外球面轴承的基准不变，内侧链轮与外球面轴承接触面到圆台平面的距离为12 mm。

图5 改进后单链轮传动结构图Fig.5 Structure of single sprocket drive after improvement

2.3 Z4、Z5 链轮传动设计

由图3 可见，Z4、Z5 分别通过Z7、Z8 传动，因此Z4、Z5 在传动轴上的安装位置需做相应改变，具体设计参数与双联链传动设计类似，即将图4中内六角圆柱头螺钉和普通垫圈改进为沉头螺钉和锥面垫圈，并将连接法兰与链轮设计成整体结构，见图6。为保证链轮回转平面在同一垂直面上，内侧链轮与沉头螺钉的间距c 为8 mm。

2.4 链节数计算

链节数LP的计算公式[12]为：

式中：LP为链节数；a 为两链轮中心距，mm；p为链节节距，mm；z1为链轮Z1 齿数；z2为链轮Z2齿数。

经现场测量，Z4 与Z7 间的中心距a=265 mm，Z4 与Z7 的齿数分别为23 和31，链号06B 的节距p=9.525 mm，故Z4 与Z7 间的链节数LP=2a/p+（z7+z4）/2+[（z7-z4）/2π]2p/a=82.69。为保证链条松边有一定的安装垂度[13]，避免过度使用链节，LP取偶数为84 节。同理得到Z5 与Z8 间的链节数为78 节，主传动链的链节数为188 节。

图6 改进后Z4、Z5 链轮传动结构图Fig.6 Structure of Z4-Z5 sprocket drive after improvement

3 改进效果

3.1 试验设计

材料：“白沙（精品）”牌卷烟（由湖南中烟工业有限责任公司长沙卷烟厂提供）。

设备：6 台PROTOS-M5 卷接机组对接的HCF-M 装盘机（德国HAUNI 公司）。

方法：改进后6 台PROTOS-M5 卷接机组对接的HCF-M 装盘机分别更换4 个新链轮，其他链轮、导轮和链条仍采用原件。通过MES 生产管理信息系统，统计改进前后各12 个月转角输送段链传动系统的运行情况。

3.2 数据分析

由表1 可见，改进前6 台机组设备多次出现转角输送段链传动故障，每台设备每年故障次数平均为4.7 次，维修时间平均为346.5 min；改进后6台设备均运行稳定，未出现任何转角输送段链传动故障。在不改变整个链传动系统各从动轴同步关系的前提下，有效提高了链传动稳定性。

表1 改进前后转角输送段链传动系统故障统计Tab.1 Statistics of failures of chain drive system at turning section before and after improvement

4 结论

采用组合式双联链轮技术对HCF-M 装盘机转角输送段链传动系统进行了改进，在不改变链传动系统各从动轴同步关系的前提下，主传动链条链节数缩短196 节，主传动链条长度缩短1.9 m，反向传动链轮数减少2 个，链条导轮数减少5 个，降低了链条磨损造成的累计误差，提高了链传动稳定性。以长沙卷烟厂生产的“白沙（精品）”牌卷烟为对象进行测试，结果表明：改进后HCF-M 装盘机链传动系统一年内故障次数减少4.7 次/台，维修时间缩短346.5 min/台，提高了卷接设备生产效率。该技术可在COMFLEX 系列、S90、YF17 等采用链传动技术的烟支贮存输送系统中推广应用。