张 号，李守成，吕小波，梁 勇，胡志恒，黄 魁，杨 冬

1. 红云红河烟草（集团）有限责任公司曲靖卷烟厂，云南省曲靖市麒麟北路499 号 655001

2. 红塔烟草（集团）有限责任公司，云南省玉溪市红塔区红塔大道118 号 653100

YB55 卷烟小盒透明纸包装机具有自动化程度高、包装效果好等特点，但由于生产速度较快（250包/min），透明纸包装完成后输出的小盒烟包存在排列混乱等问题，需要人工对烟包进行收集、整理、装盘后再进入下道工序。特别在生产细支烟［1-2］和中支烟［3］等规格卷烟时，由于产品质量要求较高，需要配置大量工人整理烟包，增加生产成本，影响生产效率。近年来，针对YB55 包装机已有较多研究及改进，曾京威等［4］通过增加压轮对入口烟包输送通道进行改进，解决了烟支烟丝端空松或整体塌陷等问题；苏克健等［5］利用吸风负压将硬盒小包从提升装置转向输送至同步输送带，解决了烟支空头或缩头等问题；孟振伟等［6］研制一套透明纸自动拼接装置，实现了透明纸在转换过程中的自动拼接功能；张明秋等［7］在透明纸输送通道中增加负压吸风带输送装置，解决了透明纸在输送过程中产生的皱褶、堵塞、拉带跑偏等问题；戚金周等［8］采用圆柱形压缩弹簧代替烟包活动挡块机构的扭簧，解决了叠包提升时出现烟包透明纸折角不良、连包等问题。但对于透明纸包装后烟包整理装置的设计及研究则鲜见报道。为此，基于YB55 小盒透明纸包装机设计了一套烟包自动整理输送装置，对透明纸包装后烟包进行整理后再由人工进行装盘，以期提高卷烟包装设备生产效率。

1 系统设计

1.1 结构组成

烟包自动整理输送装置主要由二级减速装置、行星轮系［9］和法兰盘组成，见图1和图2。其中，①二级减速装置由一级齿轮Z1（9）和Z2（7）、二级齿轮Z3（5）和Z4（8）组成并安装在箱体（4）内。Z1安装在主传动轴（11）上，由电机驱动；Z2 和Z3 均安装在小齿轮轴（6）上，由齿轮Z1 带动转动且与Z1 转动方向相反；Z4通过滚针轴承（12）安装在主传动轴上，由齿轮Z3带动转动。②行星轮系由转盘（2）、安装在转盘中的3 个齿轮［1 个太阳轮Z5（18）和2 个行星轮Z6、Z7（17）］以及烟包推板（1）组成。转盘与法兰盘（3）联接，通过齿轮Z4 带动转动；太阳轮Z5 安装在主传动轴上，由电机驱动；行星轮Z6、Z7以及烟包推板安装在行星轴（19）上，由太阳轮带动转动；行星轴与转盘相对位置固定，烟包推板随行星轴转动时保持垂直状态。

图1 烟包自动整理输送装置结构图Fig.1 Structure of automatic cigarette packet collating and conveying device

图2 烟包自动整理输送装置运动简图Fig.2 Movement diagram of automatic cigarette packet collating and conveying device

1.2 行星轮系设计

将太阳轮（Z5）和行星轮（Z6、Z7）均设计为标准直齿圆柱齿轮，模数为2，齿数为28，压力角α为20°，太阳轮、行星轮、烟包推板以及转盘的相对运动关系见图3a。转盘经二级减速装置控制后逆时针旋转；太阳轮Z5 由电机驱动逆时针旋转，转速由电机控制；行星轮Z6 自转（行星轮绕行星轴转动）角速度为0 以保证烟包推板一直保持垂直状态，公转（行星轴绕主传动轴转动）角速度与转盘相同，运动轨迹见图3b。由行星轮运动轨迹可得，行星轮上任意一点的运动轨迹均为半径为2R（R 为太阳轮和行星轮半径）的圆，见图3b 中点C 轨迹。由于太阳轮Z5 和行星轮Z6 相互啮合并在啮合点具有相同线速度，可得：

图3 行星轮系运动示意图Fig.3 Schematic diagram of motion of planetary gear system

式中：vO6为行星轴公转线速度，mm/min；vC6为行星轮上啮合点的线速度，mm/min；vC5为太阳轮上啮合点的线速度，mm/min；n5为太阳轮角速度（电机转速），r/min；R为太阳轮半径，mm；n转为转盘角速度，r/min；n6为行星轮公转角速度，r/min。

1.3 二级减速装置设计

由公式（1）可得，转盘角速度为太阳轮角速度的1/2，采用二级减速装置降低转盘转速，使电机与转盘的传动比i=2，即可满足设计要求。由图4可得：

图4 二级减速装置轮系图Fig.4 Gear system of two-stage speed reducer

式中：i 为电机与转盘的传动比，无量纲；Z1、Z2、Z3、Z4分别为齿轮Z1、Z2、Z3、Z4的齿数，个。

齿轮Z1、Z2同样采用模数为2、齿数为28个、压力角α为20°的标准直齿圆柱齿轮。为满足传动比i=2，齿轮Z3、Z4的齿数和中心距须满足：

式中：a1为齿轮Z1、Z2 的中心距，mm；a2为齿轮Z3、Z4的中心距，mm；m为模数，无量纲。

由公式（3）可得齿轮Z3、Z4 中心距a2为56 mm，查阅机械设计手册［10］可知，齿轮主要为磨损失效。因齿轮Z3 尺寸较小，齿数不宜过多，同时为避免齿轮出现根切现象，对于α=20°的标准直齿圆柱齿轮，齿数一般选17～20 个。在传动比i=2 和中心距a2=56 mm 的条件下，齿轮Z3 选择模数为2、齿数为19 个、压力角α=20°的标准直齿圆柱齿轮。由公式（3）可得齿轮Z4 的齿数为38 个，若选用标准齿轮，则齿轮Z3、Z4 的中心距a2为57 mm，无法满足装配要求，需要对齿轮Z4进行正变位设计［11-13］。齿轮Z3、Z4的啮合角为：

式中：α′为齿轮Z3、Z4 的啮合角，（°）；α为标准直齿圆柱齿轮的压力角，（°）。

根据无侧隙啮合方程，可得：

式中：x3、x4分别为齿轮Z3、Z4的变位系数，无量纲。

Z3为标准齿轮，其变位系数x3=0，计算得到齿轮Z4 的变位系数x4=0.464 6。因此，Z4 设计为模数为2、齿数为38 个、压力角α为20°、变位系数为0.464 6的正变位齿轮。

1.4 设备安装与控制

如图5 所示，烟包自动整理输送装置安装在YB55包装机出口后方的工作平台上，通过一条向下倾斜的烟包输送通道，烟包由包装机出口输送至工作平台上的烟包输送通道中。工作平台上的烟包输送通道设置有3个检测点（图5b），烟包到达检测点3时被烟包推板由纵向排列整理为横向排列后输出，经人工装盘后进入下道工序。

图5 烟包自动整理输送装置安装位置和工作示意图Fig.5 Installation position and working diagram of automatic cigarette packet collating and conveying device

采用S7-200 PLC（德国西门子公司）控制MM440交流电机变频器（德国西门子公司），进而实现整理装置的启停和速度控制，见图6。①启停控制。检测点3检测到有烟包时，PLC对“电机使能”控制做“置位”处理，即打开使能，关闭刹车，驱动电机运行，烟包推板随转盘转动180°；检测点3未检测到烟包时，PLC对“电机使能”做“复位”处理，即关闭使能，打开刹车，停止电机运行。②速度控制。检测点3与检测点2之间有烟包堆叠时，烟包整理速度设置为100 包/min；检测点2 与检测点1 之间有烟包堆叠时，烟包整理速度调整为250 包/min；检测点1 上游有烟包堆叠时，整理速度调整为300 包/min。3 种速度运行模式自动切换，从而实现烟包整理装置与上游生产设备相匹配。

图6 烟包自动整理输送装置控制原理图Fig.6 Control principle of automatic cigarette packet collating and conveying device

2 应用效果

2.1 试验设计

材料：“云烟（印象烟庄）”牌卷烟［红云红河烟草（集团）有限责任公司曲靖卷烟厂］。

设备：YB55 小盒透明纸包装机（上海烟草机械有限责任公司）。

方法：YB55包装机额定生产速度为250包/min，对采用烟包自动整理输送装置前后的生产数据进行采集，统计烟包产量、包装机运行时间、挑拣烟包人数以及烟包反向数量，并根据公式（6）～（8）计算包装机实际生产速度、包装机生产效率以及人工工作效能，统计周期为3个月。

2.2 数据分析

由表1 可见，采用烟包自动整理输送装置后，烟包反向数量由1 051包/月减少至0，挑拣烟包人数由10人/班次减少至2人/班次（减少80%），人工工作效能由1 017包/（h·人）提升至6 450包/（h·人）；包装机实际生产速度提高2 700 包/h，生产效率增加18.1 百分点。

表1 烟包自动整理输送装置应用前后包装机生产数据①Tab.1 Production data before and after installation of automatic cigarette packet collating and conveying device

3 结论

基于YB55小盒透明纸包装机，采用电机驱动和行星轮技术设计了一种烟包自动整理输送装置，在惯性作用下烟包由包装机出口输送至烟包输送通道，经检测合格后的烟包被烟包推板由纵向排列整理为横向排列后输出，再由人工装盘后进入下道工序。以曲靖卷烟厂生产的“云烟（印象烟庄）”牌卷烟为对象对该装置进行测试，结果表明：采用烟包自动整理输送装置后，生产中未出现烟包反向现象，烟包挑拣人数由10人/班次减少至2人/班次，人工工作效能显著提升；包装机实际生产速度提高2 700 包/h，生产效率提高18.1百分点。该装置可在同类包装机组中推广应用。