武占云，杨 彬，周玉生*，郭中艳

1.秦皇岛烟草机械有限责任公司，河北省秦皇岛市开发区龙海道67 号 066318

2.中国烟草总公司职工进修学院，郑州市鑫苑路7 号 450011

贮柜是烟草制丝生产线中的主要存储设备［1-2］，使用范围广、数量多。现有贮柜在出料口处设置有拨料装置［3］，通过拨料辊的转动使物料松散［4］，达到均匀出料的目的，提高物料流量的稳定性。但由于贮柜结构存在设计缺陷，在出料过程中容易对烟丝产生造碎，增加烟丝损耗。目前，针对贮柜的拨料装置已有较多研究和改进，郑玉忠等［5］和侯加文等［6］通过调整拨料辊耙钉数量和位置、优化底带运行速度和拨料辊转速等措施，降低了烟丝碎丝率，提高了卷烟内在质量；刘亦坚等［7］采用柔性出料装置代替拨丝辊，将打击式出料改为柔性出料，同时将配丝装置改为离心式匀丝圆盘，提高了烟丝纯净度，降低了烟丝造碎率；吴长庆［8］设计了一种新型伸缩拨叉式拨料装置，提高了穿孔机组的运行效率。但上述改进仍未能有效解决贮柜出料均匀性差及烟丝造碎率高等问题。为此，基于齿轮副传动技术设计了一种耙料机构，通过改变耙钉拨料方向，减轻对物料的冲击，以期提高贮柜出料均匀性，改善卷烟产品质量。

1 问题分析

在贮柜出料过程中，物料与底部输送带一起向出口方向移动，物料堆积高度约为1 m。为及时有效地处理物料中出现的结团烟丝，在贮柜出口处安装有3 组拨料装置。改进前拨料装置主要由拨料辊（1）、拨钉（2）、减速机（3）、架体（4）等部件组成，见图1。拨料辊（1）沿圆周方向均布有多个拨钉（2），贮柜出料时拨料辊（1）由减速机（3）驱动旋转，拨钉（2）依次击打物料并将物料向上拨出，由于干燥处理后的叶丝和梗丝含水率较低，拨钉多次对物料进行冲击和拍打会使物料造碎严重。

图1 改进前拨料装置示意图Fig.1 Schematic diagram of picker roller before modification

2 系统设计

改进后贮柜耙料机构主要由耙钉轴（1）、旋转圆盘（2）、侧板（3）、驱动装置（4）等部件组成，见图2。生产中物料在贮柜底带作用下向出料口移动，在驱动装置（4）的驱动下，旋转圆盘（2）带动耙钉轴（1）围绕驱动装置（4）的中心轴转动，耙钉轴（1）上的耙钉成一定角度插入物料中，随着耙钉轴（1）的转动夹带物料下落，松散结团烟丝，实现均匀出料。

2.1 耙钉轴

图2 改进后耙料机构结构示意图Fig.2 Schematic diagram of structure of raking mechanism after modification

由图3 可见，耙钉轴的轴（1）上固定有一排L型耙钉（2），耙钉（2）随轴（1）一起转动，每旋转1周拨动1 次物料。生产中耙钉（2）成一定角度插入物料，随着旋转圆盘转动，平行移动的耙钉夹带物料下落。耙钉（2）与物料接触方式由改进前的线接触转变为点接触，降低了物料受力强度，减少了烟丝造碎。

图3 耙钉轴结构示意图Fig.3 Schematic diagram of structure of spiker shaft

2.2 驱动装置

2.2.1 工作原理

驱动装置主要为整个机构提供动力及传动，包括减速机（1）、中心轴（2）、星齿轮（3）、太阳轮（4）和惰齿轮（5）等部件，见图4。减速机（1）通过中心轴（2）连接旋转圆盘，太阳轮（4）安装在侧板上，惰齿轮（5）安装在旋转圆盘上，与太阳轮（4）和星齿轮（3）相啮合；耙钉轴与星齿轮（3）刚性连接，并与旋转圆盘通过轴承连接。生产中减速机（1）驱动中心轴（2）带动旋转圆盘同步转动，固定在贮柜侧板上的太阳轮（4）不产生转动，惰齿轮（5）和星齿轮（3）随旋转圆盘公转的同时，在太阳轮（4）的作用下产生自转；耙钉轴在围绕中心轴（2）公转的同时进行自转，保证耙钉伸出方向及弯曲方向不变［9］。

图4 驱动装置结构示意图Fig.4 Schematic diagram of structure of driving mechanism

2.2.2 确定传动比

设太阳轮齿数为Z1，惰齿轮齿数为Z2，星齿轮齿数为Z3，则Z1、Z2、Z3的关系为Z1=k×Z2，Z2=p×Z3。由于惰齿轮自转主要起传递扭矩的作用，所以k 为大于0 的任意值，考虑到受力因素和安装空间，取k=1。根据现场情况，耙料机构每旋转1 周（即中心轴和旋转圆盘旋转1 周），要求耙钉拨动物料1 次，故取p=1（根据物料接触次数，p 值也可取2，3，…）。当旋转圆盘旋转n1周时，惰齿轮自转周数n2=Z1/Z2×n1=kn1，星齿轮自转周数n3=Z2/Z3×n2=pn2。由图4 可见，当减速机旋转1 周时，4 个惰齿轮和4个星齿轮也旋转1 周，从而使耙钉轴绕中心轴公转和自转均与中心轴同步，确保每个耙钉弯钩与物料接触状态保持一致。

2.3 结构验证和力学分析

2.3.1 机构运动关系

机构运动简图表明了各零部件的运动关系和传动原理，见图5。减速机（1）包含一个转动副，惰齿轮（7）自转形成一个转动副，耙钉轴（4）与左右旋转圆盘（3，5）间形成一个转动副，星齿轮（6）、惰齿轮（7）、太阳轮（8）间形成两个高副。

图5 耙料机构运动简图Fig.5 Movement diagram of raking mechanism

2.3.2 机构自由度验证

机构自由度就是机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数的数目，机构具有确定运动的条件是机构的原动件数等于机构的自由度数［10］。

机构自由度计算公式［11］为：

F=3n-2pL-pH

式中：F—机构自由度；n—活动构件数；pL—平面运动低副；pH—平面运动高副。

根据图5 计算可得，耙钉机构自由度F=3n-2pL-pH=3×3-2×3-2=1，F＞0且与原动件数相等，故该机构各构件间的相对运动是确定的。

2.3.3 运动轨迹分析

由图6 可见，惰齿轮中心轴在旋转圆盘的驱动下沿轨迹运行，因惰齿轮与太阳轮啮合而进行自转；同样星齿轮中心轴在旋转圆盘的驱动下沿轨迹运行，因星齿轮与惰齿轮啮合而进行自转。由2.2.2 节分析可知Z1=Z2=Z3，所以当惰齿轮围绕太阳轮旋转1 周时，星齿轮也自转1 周，星齿轮上a、b、c、d 点的相对位置保持不变，在实现耙料功能的同时，保证物料顺利落下。

图6 运动轨迹Fig.6 Movement trajectory

2.3.4 物料受力分析

改进前拨料装置作用在物料上的合力方向随拨料辊的转动而改变，但其大小不变，见图7。水平分力在物料与拨钉接触到物料与拨料辊中心线平齐的过程中逐渐减小，当超过拨料辊中心线时，水平分力方向改变并逐渐增大；垂直分力在物料与拨钉接触到物料与拨料辊中心线平齐的过程中逐渐增大，当超过拨料辊中心线时，垂直分力方向不变但逐渐减小。在此过程中大部分物料被拨出，小部分物料被拨料辊拨起后落下，在下落过程中与拨钉再次接触，物料因反复受力产生烟丝造碎。

图7 改进前拨料装置的物料受力分析Fig.7 Mechanical analysis of tobacco in picker roller before modification

改进后耙料机构作用在物料上的合力、水平分力和垂直分力的方向和大小均不变，见图8。机构旋转方向与物料落料方向保持一致，避免耙钉与物料多次接触对烟丝造碎产生影响。由于物料受力在整个耙料过程中恒定，故物料受力大小可控，进而达到均匀出料的目的。

图8 改进后耙料机构的物料受力分析Fig.8 Mechanical analysis of tobacco in raking mechanism after modification

3 应用效果

3.1 试验设计

材料：“好猫”牌卷烟配套烟丝（由陕西中烟工业有限责任公司澄城卷烟厂提供）。

设备：GPT28D 贮柜1 台（秦皇岛烟草机械有限责任公司）。

方法：贮柜出料装置分别采用拨料装置和耙料机构，选用同一配方3 批次烟丝进行对比试验，统计改进前后各批次出料整丝率，取平均值。

3.2 数据分析

由表1 可知，采用耙料机构出料整丝率为81.32%，采用拨料装置出料整丝率为80.81%，整丝率提高0.51 百分点，有效减少了烟丝造碎，降低了物料损耗。

表1 拨料装置和耙料机构出料整丝率对比Tab.1 Comparison of integral strand proportion in tobacco discharged by picker roller and raking mechanism （%）

4 结论

采用齿轮副传动技术设计了一种贮柜耙料机构，通过改变耙钉拨料方向，使耙钉以一定角度插入物料中，随着耙钉轴转动拨出物料，松散结团烟丝，实现均匀出料。以澄城卷烟厂生产的“好猫”

牌卷烟配套烟丝为对象进行测试，结果表明：与拨料装置相比，采用耙料机构的出料整丝率提高0.51 百分点，且物料受力大小可控，降低了物料加工强度，减少了烟丝造碎。该机构还可应用于细支烟生产线中，将耙钉制作成锋利镰刀状，在拨动烟丝的同时对长烟丝进行定长切割，从而达到控制烟丝长度的目的。